Дисертації (вільний доступ)

Постійне посилання зібрання

Переглянути

Нові надходження

Зараз показуємо 1 - 20 з 655
  • ДокументВідкритий доступ
    Згорткова нейронна мережа для прогнозування коефіцієнту пропускання метаматеріалів в залежності від їх структури
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Зозюк, Максим Олегович; Королюк, Дмитро Володимирович
    Зозюк М. О. Згорткова нейромережа для прогнозування коефіцієнту пропускання метаматеріалів в залежності від їх структури. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 153 – Мікро- та наносистемна техніка (галузь знань 15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України, Київ, 2022. Робота присвячена розробці методики прогнозування коефіцієнту пропускання метаматеріалів на основі топологічної структури та складу із застосуванням технік глибокого навчання, а саме – математичні нейронні мережі з використанням операцій згортки та допоміжних. Науково-прикладні дослідження, висвітлені в дисертаційній роботі, зосереджені на практичному дослідженні згорткових нейронних мереж для виконання завдань прогнозування у сферах проєктування, передбачення метаматеріалів з потрібними властивостями. В сучасних науково-технічних дослідженнях методи глибокого навчання: згорткові нейроні мережі, дають можливість розробити прості й ефективні методи аналізу та прогнозу властивостей в задачах дизайну метаматеріалів. Перевагою цієї техніки є зручність в реалізації, наявність даних для цього підходу, швидкість в обчисленнях у порівнянні з точними методами прогнозування властивостей і топологічної структури на основі фізичних законів. Звичайно, нейронні мережі є доволі складним процесом, який має свої недоліки – необхідність у великій кількості даних, відносна складність оптимізації, складність постановки задачі. З розвитком технологій глибокого навчання, ці недоліки все більш нівелюються, і тому їх використання стає доступнішим. Нейронні мережі використовуються для дизайну метаматеріалів, тобто штучних матеріалів, що мають непередбачуваний зворотний відгук на електромагнітні хвилі. Основна ідея полягає в тому, що нейронні мережі використовуються для оптимізації топології та параметрів метаматеріалів. Перш за все, нейронна мережа навчається на основі великої кількості вхіднихвихідних даних, де вхідні дані становлять собою деякі параметри метаматеріалу (наприклад, розмір, форма, компоненти), а вихідні дані - бажаний відгук на світло (наприклад, поглинання, відбивання, пропускання). Після завершення навчання, нейронна мережа може бути використана для прогнозування вихідних даних на основі нових вхідних даних, тобто вона може передбачати як відгук метаматеріалу на нові електромагнітні хвилі. Нейронні мережі можуть допомогти в процесі дизайну метаматеріалів, оскільки вони можуть досліджувати велику кількість варіантів метаматеріалів та ефективно оптимізувати їх параметри з метою досягнення бажаного функціонального відгуку. Одне з переваг використання нейронних мереж у дизайні метаматеріалів полягає в тому, що вони можуть враховувати складні взаємозв'язки між параметрами матеріалів і функціональним відгуком. Вони здатні знаходити нелінійні залежності, які можуть бути складні для методів традиційного проєктування. Отже, нейронні мережі дозволяють автоматизувати та оптимізувати процес дизайну метаматеріалів, забезпечуючи швидшу та ефективнішу розробку нових матеріалів з бажаними властивостями. Для досліджень використовувались сучасні напрацювання для згорткових нейронних мереж щодо підходів, які застосовуються для подолання їх обмежень. Було використано велику кількість інформації про метаматеріали з відповідних джерел, а саме – топологія та склад метаматеріалів. Використовувались програмні середовища для написання цифрового коду та побудови 3D об’єктів метаматеріалів з визначеними властивостями. Проаналізована можливість прогнозування коефіцієнту пропускання на основі інформації про структуру та складу метаматеріалів. Показано, що така можливість існує й описані основні умови, які накладаються на дані про метаматеріали, які потрібні для використання згорткових нейронних мереж при розв’язанні задач з прогнозування інформації про метаматеріали. Встановлено, що дані збережені в «.ply» форматі, не підходять, як вхідні дані для нейронної мережі. Був використаний програмний пакет Open3D на базі Python, для конвертації початкового формату у формат «.xyzrgb», який становить собою масив, де кожен рядок – це вектор з шести чисел; перші три – це координати, три інших – це RGB числа. Показана можливість використання такого вигляду інформації в процесах згортки та для навчання нейронної мережі. Представлено умови, які накладаються на дані: однорідність даних, що означає, що всі параметри, які впливають на результат прогнозування, мають або бути однаковими, або бути внесені в дані, як інформація про властивості; масштабованість, що означає, що дані мають бути зведені до однакових діапазонів значень та масштабів. Розроблено алгоритм прогнозування властивостей на основі структури та складу метаматеріалів із використанням згортокової нейронної мережі. Розроблено алгоритм для збереження інформації про склад метаматеріалів. Показано, що використовуючи інформації про електромагнітні властивості компонентів є можливість передбачувати електромагнітні властивості метаматеріалів. Побудовано в цифровому середовищі 3D об'єкти метаматеріалів із закріпленням за кожним пікселем інформації про компонент. Описано алгоритм збереження цієї інформації у зручному для навчання згорткової нейронної мережі вигляді. Представлено види цифрових форматів, які можуть бути використані для збереження потрібної про метаматеріали інформації. Проаналізовано формат, який використовувався для збереження інформації про 3D об’єкт в цій роботі. Описано процес представлення властивостей метаматеріалів у зручному для навчання згорткової нейронної мережі вигляді. Два методи було використано для порівняння ефективності обох методів. Показано, що метод з представлення характеристик у вигляді коефіцієнтів полінома є швидшим, але не відповідним для вирішення задач з прогнозування характеристик метаматеріалів. Проаналізовано інші формати збереження інформації про 3D структури. Досліджено, що такі формати, як «.fbx», «.obj», «.stl», «.3ds» не підходять, через такі причини: відсутність ефективного програмного функціонала (для конвертування в потрібний для нейронної мережі формат); відсутність збереження інформації про додаткові канали інформації; присутність зайвої інформації, яку немає можливості відділити від необхідної. Розроблено архітектуру згорткової нейронної мережі для прогнозування частотних електромагнітних характеристик на основі структури та складу метаматеріалів. Показані результати прогнозування для обох випадків з представлення коефіцієнту пропускання – у вигляді масиву точок та коефіцієнтів поліному. Проаналізовано результати прогнозування та приведені способи до покращення цих результатів та оптимізації мережі для зменшення часу виконання навчання та збереження ресурсів. Вказано, що збільшення даних є найбільш ефективним методом для покращення результатів прогнозування. Попри це, методи покращення результатів, які засновані на зміні архітектури та зміни гіперпараметрів потрібно постійно оцінювати та використовувати при можливості.
  • ДокументВідкритий доступ
    Спiновi хвилi в одно- та двошарових феромагнiтних пластинах iз метаповерхнями з власною магнiтною анiзотропiєю та взаємодiєю Дзялошинського-Морiя
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Тюкавкiна, Iрина Миколаївна; Горобець, Оксана Юрiївна
    Тюкавкiна I. М. Спiновi хвилi в одно- та двошарових феромагнiтних пластинах iз метаповерхнями з власною магнiтною анiзотропiєю та взаємодiєю Дзялошинського-Морiя. — Квалiфiкацiйна наукова праця на правах рукопису. Дисертацiя на здобуття наукового ступеня доктора фiлософiї за спецiальнiстю 104 — Фiзика та астрономiя. — Нацiональний технiчний унiверситет України «Київський полiтехнiчний iнститут iменi Iгоря Сiкорського», Київ, 2023. Дисертацiя присвячена спiновим хвилям, якi є перспективними для iмплiкацiї пристроїв спiн-хвильової логiки в електронiцi, завдяки їх потенцiйно великiй енергiї, короткiй довжинi хвилi та високiй швидкостi розповсюдження. Розглядається проходження спiнових хвиль через метаповерхнi рiзної конфiгурацiї, структурованi спецiальним чином при їх виготовленнi, а саме з модульованими параметрами власної магнiтної анiзотропiї, обмiнної константи та взаємодiї Дзялошинського-Морiя. На основi точних лiнiйних та аналiтичних розв’язкiв рiвняння Ландау-Лiфшиця було побудовано аналiтичну модель взаємодiї лiнiйних та нелiнiйних спiнових хвиль iз метаповерхнями iз врахуванням рiзного типу граничних умов для рiвняння Ландау-Лiфшиця. Дисертацiйна робота складається iз п’яти роздiлiв, у яких описано проходження спiнових хвиль через метаповерхнi рiзної конфiгурацiї в феромагнiтних матерiалах. Основну частину дисертацiї доповнено таблицею iз матерiальними параметрами, що використаннi для комп’ютерного моделювання розповсюдження спiнових хвиль, що зiбранi iз вiдповiдних джерел для феромагнетикiв. Також, у додатках приведено програми, що виконанi в середовищi Python, для кожної iз задач, включених у дану дисертацiйну роботу. У першому роздiлi дисертацiйної роботи розглядається загальний вигляд повної енергiї феромагнетика, зокрема, доданок, що описує взаємодiю Дзялошинського-Морiя, та граничнi умови для рiвняння Ландау-Лiфшиця на метаповерхнi мiж двома феромагнетиками. Огляд теоретичних та експериментальних спостережень ефекту невзаємностi спiнових хвиль включено в перший роздiл, оскiльки, створення нових магнонних пристроїв на базi невзаємного поширення спiнових хвиль є перспективним напрямком розвитку магнонiки. Експериментальне спостереження дифракцiї та iнтерференцiї спiнових хвиль i спiн-хвильовi ефекти в наноелектронiцi докладно описано в цьому роздiлi для розумiння сьогоденної парадигми в областi спiнтронiки та магнонiки та видiлено основнi напрями їх майбутнього розвитку. Другий роздiл присвячено аналiтичнiй моделi для опису поширення спiнової хвилi через систему, що складається з двох феромагнетикiв без та iз взаємодiєю Дзялошинського-Морiя, роздiлених плоским iнтерфейсом. Знайдено залежностi коефiцiєнтiв проходження та вiдбиття спiнової хвилi як функцiю частоти спiнової хвилi та константи Дзялошинського-Морiя, яка, як вiдомо, сильно залежить вiд температури та має тенденцiю до значного зростання при низькiй температурi порiвняно з кiмнатною. Взаємодiя Дзялошинського-Морiя дозволяє описати численнi магнiтнi властивостi сполук iз порушеною симетрiєю. Дослiдження систем з неколiнеарними спiновими текстурами, таких як хiральнi доменнi стiнки, скiрмiони, скiрмiоннi ґратки, магнiтнi спiралi у феромагнiтних матерiалах мають широкий спектр застосувань, наприклад, у пристроях спiн-хвильової логiки, кодування бiтiв для рейс-трекової пам’ятi. В третьому роздiлi дисертацiйної роботи виведено граничнi умови для рiвняння Ландау-Лiфшица на межi роздiлу двох феромагнетикiв з рiзними значеннями взаємодiї Дзялошинського-Морiя. Аналiтичний вираз для умови неперервностi густини потоку енергiї при поширеннi спiнової хвилi через феромагнетик зi схiдчастою взаємодiєю Дзялошинського-Морiя розраховано з урахуванням зазначених граничних умов. Дослiдження такого роду систем не тiльки вiдкриють новi можливостi для наведення та манiпулювання спiновими хвилями в надтонких магнiтних наноструктурах, а й сприятимуть розвитку променевої магнонiки. Аналiтичнi вирази для коефiцiєнтiв вiдбиття, проходження та фактори невзаємностi, що обчисленi iз врахуванням взаємодiї Дзялошинського-Морiя, дозволять поглибити знання про керування поширенням спiнової хвилi в магнонних пристроях. Аналiтична модель показує, що iснує два типи ефектiв невзаємностi для поширення спiнової хвилi через феромагнетик зi схiдчастою взаємодiєю Дзялошинського-Морiя для протилежних орiєнтацiй вектора Дзялошинського-Морiя. У сприятливих ситуацiях це може збiльшити довжину загасання спiнової хвилi. Знайдено матерiальнi параметри феромагнетика та схiдчастої взаємодiї Дзялошинського-Морiя, для яких за результатами розрахункiв очiкується надзвичайно високий коефiцiєнт невзаємностi (> 10). Результати даної роботи дозволять реалiзувати керування поширення спiнової хвилi в магнонних пристроях. У четвертому роздiлi поставлено задачу розрахувати параметри рiзних феромагнiтних матерiалiв для створення метаповерхневої спiн-хвильової зонної пластинки Френеля, яка здiйснюватиме управлiння амплiтудою та фазою спiнової хвилi i матиме покращену функцiональнiсть фокусування. Проводячи аналогiю з оптикою, в магнонiцi за допомогою системи отворiв реалiзовано тiльки найпростiший тип зонної пластинки Френеля, яка є дифракцiйною лiнзою та складається з серiї концентричних кiлець, що чергуються. Спiн-хвильовий-аналог метаповерхневої зонної пластинки Френеля може бути створено за допомогою перiодичної модуляцiї iзотропного обмiну та власної магнiтної анiзотропiї iнтерфейсу мiж двома феромагнетиками. Така фазово-модульована спiн-хвильова зонна пластина Френеля може бути використана для бiльш ефективного фокусування як спiнових хвиль, що пройшли, нiж традицiйна амплiтудно-модульована спiн-хвильова зонна пластина Френеля. Позаяк метаповерхня може iндивiдуально керувати амплiтудою, фазою та поляризацiєю електромагнiтної хвилi, то метаповерхнева зонна пластинка забезпечує бiльше ступенiв свободи для покращення функцiональностi, нiж звичайна зонна пластинка Френеля. Очевидно, що в магнонiцi, запозичуючи вiдповiднi iдеї фотонiки, перспективною є розробка метаповерхневих зонних пластинок для спiнових хвиль, якi б замiсть блокування амплiтуди хвилi в непрозорих зонах забезпечували б вiдповiдний зсув фаз для конструктивної iнтерференцiї зi спiновою хвилею, збiльшуючи ефективнiсть фокусування в порiвняннi з амплiтудною зонною пластинкою Френеля. П’ятий роздiл дисертацiї демонструє аналiтичну модель для опису руху феромагнiтної доменної стiнки зi скiрмiон-подiбними будiвельними блоками за допомогою спiн-поляризованого струму. Залежнiсть швидкостi руху феромагнiтної доменної стiнки зi скiрмiон-подiбними будiвельними блоками, керовану спiн-поляризованим струмом, вiд сили спiн-поляризованого струму i напруженостi зовнiшнього магнiтного поля обраховано у даному роздiлi. Переважна бiльшiсть теоретичних дослiджень внутрiшньої структури доменних стiнок у феро- та антиферомагнетиках базується на чисельному мiкромагнiтному моделюваннi. Факт наявностi нескiнченної кiлькостi магнiтних текстур за однакових граничних умов для вектора намагнiченостi представляє нетривiальну задачу для чисельного мiкромагнiтного моделювання. Точний динамiчний розв’язок рiвняння Ландау-ЛiфшицяГiлберта-Слончевського у феромагнетику з одновiсною магнiтною анiзотропiєю, який описує рух доменної стiнки зi скiрмiонами у внутрiшнiй структурi пiд дiєю зовнiшнього магнiтного поля та спiнового струму дозволяє розв’язати цю задачу аналiтично. На додаток, отриманий розв’язок застосовний не тiльки для нескiнченного феромагнетика, а й до вiльного шару шаруватої системи феромагнетик/немагнiтний метал/феромагнетик за умови, що характерний масштаб скiрмiон-подiбного будiвельного блоку, як компоненти внутрiшньої структури доменної стiнки, є набагато меншим, нiж товщина вiльного шару. Остання умова добре виконується для скiрмiонiв розмiром порядку кiлькох нм, якi особливо популярнi як носiї iнформацiї у галузi спiнтронiки.
  • ДокументВідкритий доступ
    Моделі та методи моніторингу енергоефективності регіонів України
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Докшина, Софія Юріївна; Розен, Віктор Петрович
    Докшина С.Ю. Моделі та методи моніторингу енергоефективності регіонів України. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктор філософії за спеціальністю 141 –«Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» (14–Електрична інжерерія). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертаційне дослідження «Моделі та методи моніторингу енергоефективності регіонів України» присвячене актуальному науковому завданню підвищення рівня енергоефективності регіонів України шляхом розроблення моделей та методів моніторингу, задля забезпечення енергетичної та екологічної безпек країни. Для виконання аналізу було вибрано підсектор опалення сектору домогосподарств як найбільший споживач енергії серед інших секторів, та транспортний сектор як один із найбільших споживачів та забруднювачів CO2. Дисертаційне дослідження відповідає пріоритетному напрямку розвитку країни: «Енергетика та енергоефективність» (Технології розроблення та використання нових видів палива, відновлюваних і альтернативних джерел енергії та видів палива; Енергоефективність і енергозбереження, ринки енергоресурсів, Екологічно збалансована енергетична безпека) що затверджений постановою Кабінету міністрів України від 7 вересня 2011 р. № 942 «Про затвердження переліку пріоритетних тематичних напрямів наукових досліджень і науково-технічних розробок на період до 2023 року». Та виконувалось спільно з Університетом Лотарингії (Université de Lorraine), Франція, за програмою академічної мобільності ERASMUS+ KA107 у період з 03.04.2023 по 02.09.2023 р. У першому розділі розглянуто стан енергоефективності в Україні, досліджено методи що застосовані в Енергетичних стратегіях, виконано SWOTаналіз рівня енергоефективності регіонів України. Визначено мету та завдання дослідження. За оцінками моніторингово звіту індикаторів сталого розвитку в Україні 2021 року, навіть у період до масштабного вторгнення 2022 року, 7 з 14 цілей індикаторів сталого розвитку, що стосувались енергоефективності, не були досягнуті. Енергетична стратегія України змінювалась тричі впродовж 11 років, причому, у Першій та Другій стратегіях застосовувався підхід прогнозування попиту на енергоносії за трьома сценаріями економічного зростання (середньорічного зростання ВВП), у Третій стратегії застосовувався метод складання алгоритмів заради досягнення бажаних результатів. Ключовими орієнтирами у напрямку розвитку енергетики України є зниження імпортозалежності нафтопродуктів, газу та атомних продуктів, поліпшення екологічної ситуації, що можуть бути досягнуті шляхом впровадження енергоефективних заходів модернізації систем виробітку та розподілу енергії, будівель, Євроінтеграції та розвитку відновлювальних джерел енергії та альтернативних видів палива. Визначено позитивні та негативні чинники впливу на рівень енергоефективності України. Негативно на рівень енергоефективності України впливають наступні чинники: енергетичний чинник: енергоблоки атомних енергостанцій, водопровідні мережі, системи розподілу, та, особливо, споживання тепла знаходяться у незадовільному стані; екологічний чинник: рівень забруднення повітря станом на 2022 вважається підвищеним, економічний чинник: майже чверть ВВП в Україні перебуває в тіні, з початку воєнного вторгнення 24 лютого 2022 року, та станом на 1 вересня 2022 року, Україна понесла збитки у 127 млрд. доларів США, з яких на першому місці житлові будівлі, на другому інфраструктура, соціальний чинник: низька інформованість населення стосовно переваг енергоефективності, низький рівень життя населення байдужість населення. Позитивно на рівень енергоефективності впливають: проєкти з модернізації енергосистеми, розвиток енергосервісних компаній (ЕСКО), соціальні програми, програми міжнародної підтримки, розвиток ВДЕ та можливості отримання альтернативного виду палива. Разом з тим, найбільшу вагу у рівні енергоефективності відіграють чинники технологічного та стратегічного характеру, на другому місці виявились чинники екологічного та соціального характеру, вагомими, але без можливості вплинути на них є чинники економічного та непередбачуваного характеру. Мета. Підвищення рівня енергоефективності регіонів України шляхом розроблення регіональних моделей моніторингу. Актуальність. Тема спрямована на підвищення енергетичної безпеки України та вирішення задачі оцінювання енергоефективності регіонів України. Новизна теми полягає у розробленні моделі оцінювання енергоефективності регіонів України житлового та транспортного секторів, що надасть можливість виробити стратегії підвищення рівня енергоефективності регіонів України. Об'єкт: процес споживання тепло-, електро- енергії, газоспоживання та споживання моторних палив регіонами України. Предмет: індикатори енергоефективності регіонів та їх зв'язки, чинники впливу на енергоефективність, моделі оцінювання енергоефективності регіонів, технології підвищення енергоефективності, методи оцінки складних багатофакторних систем. Завдання: 1. Дослідити вимоги до індикаторів енергоефективності, світові індикатори енергоефективності та індикатори в Україні; 2. Дослідити методи оцінки складних багатофакторних систем; 3. Розробити алгоритм інтервального оцінювання індикаторів енергоефективності регіонів України; 4. Розробити алгоритм розрахунку споживання на опалення житлового сектору регіонів України; 5. Розробити алгоритм розрахунку споживання газу транспортного сектору регіонів України; 6. Виконати класифікацію житлового сектору регіонів України з використанням дискримінантного аналізу та аналізу головних компонент; 7. Виконати класифікацію транспортного сектору регіонів України з використанням дискримінантного аналізу та аналізу головних компонент; 8. Виконати порівняльний аналіз результатів класифікації житлового та транспортного секторів регіонів України; 9. Побудувати модель бенчмаркінгу регіонів України всередині кластерних груп; 10. Проаналізувати можливості застосування альтернативних технологій підвищення енергоефективності в Україні та шляхів їх оптимізації; 11. Розробити алгоритм та модель моніторингу енергоефективності регіонів України. У Розділі 2 виконано аналіз сучасних баз даних з енергоефективності. Встановлено, шо сучасні бази даних з енергоефективності та наведені стандарти відображають секторальний підхід до оцінювання енергоефективності за країнами. Поділ секторів за різними рівнями деталізації (на підсектори), розрахунок індикаторів та індексів енергоефективності, застосування методів коригування, наприклад, таких як кліматичні поправки, коригування за паритетом купівельної спроможності, підходи до вибору базового року для порівняння – дозволяють порівнювати рівні енергоефективності та обсяги серед країн на високому рівні. Для підвищення рівня енергоефективності окремої країни, ці методи можливо застосовувати на регіональному рівні з подальшим застосуванням бенчмаркінгу. Запровоновано для оцінювання рівня енергоефективності всередині країни, застосовувати методи оцінки складних багатофакторних систем, серед яких є методи кластеризації, метод головних компонент та дискримінантний аналіз. Для кластерного аналізу було вибрано два методи кластеризації із попереднім заданням кількості кластерів (кластеризація методом k-середніх та агломеративна кластеризація), та методи без попереднього задання кластерів такі як кластеризація за щільністю (DBSCAN) та афініативна кластеризація (affinity clustering). Класифікація споживачів енергії різними методами дозволить оцінити розбіжності за різними рівнями енергоефективності певного сектору та визначення кластерів, котрі потребують першочергових дій у енергоефективних заходах задля забезпечення сталого розвитку країни. Метод головних компонент дозволить зменшити розмірність даних за потреби задля підвищення якості кластеризації. Дискримінантний аналіз допоможе знайти ключові індикатори що впливають на рівень енергоефективності у заданому секторі. А подальший бенчмаркінг регіонів України дозволить додатково визначити рейтинг регіонів всередині кластерних груп. Сектор домогосподарств має найбільші перспективи у підвищенні рівня енергоефективності, оскільки історично складає третину споживання, а підсектор опалення споживає найбільше серед даних підсекторів сектору споживання (напр., охолодження, освітлення, гаряче водопостачання). Транспортний сектор є одним з найбільших забруднювачів повітря. Однак, дані підходи можуть застосовуватись і до інших секторів. У Розділі 3 побудовані інтервальні графіки індикаторів енергоефективності підсектору опалення сектору домогосподарств та транспортного сектору регіонів України, що дозволило оцінити динамічні зміни даних індикаторів у цих регіонах та виконати попереднє порівняння регіонів. Визначено найкращі моделі оцінювання для цих даних та вироблено стратегії розвитку кластерних груп регіонів України. Розроблено метод моніторингу енергоефективності та алгоритм оцінювання рівня енергоефективності на основі кластерної стабільності. Найкращим результатом кластеризації для підсектору опалення виявився метод к-середніх з включенням м. Київ та з наступними даними: Середня температура за опалювальний період, оС, Споживання природного газу на житло, м3/житло, Споживання електроенергії на житло, кВт/год, Споживання вугілля на житло, тис. т/ житло, Середньомісячна заробітна плата штатних працівників, грн; Валовий регіональний продукт на одну особу (у фактичних цінах), грн. Даний метод має кластерну нестабільність лише в одному регіоні. Однак, більшу інформативність несуть результати агломеративної кластеризації з кластерною нестабільністю у трьох регіонах. Тому опишемо стратегії розвитку за останнім згаданим аналізом. Для кластерних груп підсектору опаленя регіонів України доцільні наступні заходи: для кластеру 0 доцільно застосувати для даних регіонів заходи з модернізації центрального теплопостачання з переходом на роззосереджені джерела енергії та розглядом альтернативних джерел енергії (оскільки температура середня серед інших регіонів – можливий розгляд біогазових установок та вітрогенераторів); для кластеру 1 доцільно розглянути проектні рішення щодо переходу до роззосереджених джерел електричної енергії, оскільки температура найменша – доцільно встановлювати вітрогенератори у комбінації з водневими установками. Споживання газу відображає баланс між централізованим газопостачанням; для кластеру 2, що має регіони із сприятливим кліматом, варто розглянути проекти з опаленням від комбінованих установок з вітрогенераторами, сонячними панелями та водневими установками. Для всіх регіонів доцільно розглянути перехід від опалювальних установок з використанням газу до установок з використанням альтернативних видів палива (як паливо з пластикових та гумових відходів та біогазу). Найкращі результати для транспортного сектору показала модель за методом головних компонент (2 компоненти) з подальною кластеризацією методом к-середніх з кластерною нестабільністю у чотирьох регіонах. Для кластерних груп транспортного сектору доцільні наступні заходи. Доцільно, особливо для кластеру 2, котрий має найбільші показники серед інших регіонів: покращити громадський транспорт для зменшення використання особистих авто; запровадження програм лояльності для пасажирів громадського транспорту; оптимізувати логістику вантажів, сприяючи ефективному використанню вантажівок та мінімізації порожніх пробігів (задача комівояжера, додатки для покращення ефективності маршрутів та управління транспортом); використовувати технології моніторингу та аналітики для ефективного використання транспортних засобів; заохочувати використання гібридних технологій та систем відновлювальної енергії для автотранспорту; надавати фінансові стимули для компаній, що використовують енергоефективні технології у транспорті. У четвертому розділі було досліджено потенціал альтернатиних джерел енергії, а саме отримання альтернативного моторного палива з пластикових відходів та відходів зношених шин в Україні та оптимізація біогазової установки анаеробного зброджування за допомогою штучної нейронної мережі. Проведена аналітична оцінка з офіційних статистичних джерел показала, що потенціал отримання палива від переробки пластику, що накопичився на спеціально облаштованих звалищах к кінцю 2020 року, становить від 5,43 до 17,2 тис тон палива. При налагодженні екологістики, щорічно можливо отримувати від 9,39 до 29,74 тис. тон палива. А якщо поводження з пластиковими відходами не зміниться, при налагодженні збору неутилізованого пластику, до 2030 року можливо отримати від 137,54 до 435,53 тис. т палива. Потенціал отримання палива від переробки зношених шин, що утворились на спеціально облаштованих звалищах к кінцю 2020 року становить від 1,99 до 3,13 тис. т палива. При налагодженні екологістики, щороку можливо отримувати від 5,27 до 8,26 тис. т палива від зношених шин. Якщо поводження з утилізацією зношених шин не зміниться, до 2030 року, при налагодженні їх збору, можливо отримати від 110,45 до 173,04 тис. т палива. Однак, варто зазначити, що при непрямому оцінюванні потенціалу, обсяги отримання моторного палива можуть бути значно більшими. Розроблена модель ШНМ установки анаеробного зброджування дала змогу здійснити ідентифікацію оптимальних робочих параметрів реактора-метантенка, які призводять до збільшення виходу метану на понад 12,6%. Так, оптимальною температурою для підвищення виходу біогазу є 39oС; рівень pH 8,0; співвідношення органіки до сухої фракції повинно складати 98,8%. Для кращої роботи установки слід підвищувати вміст амонію азоту на 5%, проте вміст вільних летких жирних кислот у субстраті доцільно зменшити на 46%. Дослідження продемонструвало, що модель ШНМ є корисним інструментом для моделювання та оптимізації виробництва біогазу з метантенку в різних робочих умовах. Практичне значення отриманого потенціалу моторного палива полягає в подальшому розвитку налагодженню екологістики збору небезпечних відходів в Україні та їх подальшого перетворення у паливо, що може забезпечити транспорний сектор та використовуватись як сировина заміщення газу для опалення громад від котельних, що використовують газ, а також у комбінації з електротехнічними установками. Отримані оптимальні значення установки анаеробного зброджування, дозволяють підвищити ККД даних установок на 12,6% та сприятиме їх впровадженню для опалення громад. Все це дозволить забезпечити енергетичну та екологічну безпеку країни, а також сприятиме підвищенню рівня економіки. Наукова новизна дослідження полягає у тому, що: 1. Набула подальшого розвитку реалізація моніторингу енергоефективності регіонів України, зокрема, кластерний підхід до розмежування регіонів України з використанням дискримінантного аналізу, та модель бенчмаркінгу всередині кластерів. 2. Вперше побудовано інтервальне оцінювання індикаторів енергоефективності, що дозволяє порівнювати регіони у динаміці крічних змін. 3. Запропоновано метод оцінювання рівня енергоефективності регіонів України, що дозволяє досягти кластерної стабільності та виробити стратегії розвитку для кожного кластеру. 4. Запропонована модель розрахунку зі статистичних джерел газо-, тепло- електроспоживання та споживання вугілля у розрахунку на опалення одиниці житла у регіонах та газоспоживання транспортним сектором регіонів. 5. Удосконалено систему виробництва біогазової установки за рахунок чого можливо досягти підвищення її ККД на 12,6%. Практичне значення. Розроблені методологія розрахунку параметрів для оцінювання опалення житлового сектору, методологія розрахунку параметрів для оцінювання транспортного сектору регіонів України, методологія інтервального оцінювання індикаторів енергоефективності регіонів України, модель бенчмаркінгу регіонів України, алгоритм оцінювання рівня енергоефективності регіонів України на основі кластерної стабільності, загальна модель моніторингу енергоефективності, та алгоритм оцінювання рівня енергоефективності можливо використовувати для оцінювання рівня енергоефективності у наступні роки та для інших секторів. Розрахований потенціал отримання моторного палива варто враховувати при розробленні Дорожньої карти збору та утилізації небезпечних відходів. Підвищення продуктивності біогазових установок анаеробного зброджування забезпечуватиметься за рахунок використання співвідношення робочих параметрів установки анаеробного зброджування, що отримані шляхом використання штучної нейронної мережі у даній роботі. Дисертаційне дослідження складається з 231 сторінка, 5 додатків. Основна частина дисертації містить 53 рисунка та 16 таблиць.
  • ДокументВідкритий доступ
    Вплив лазерного випромінювання на процеси індукованої оловом кристалізації аморфного кремнію
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Ольховик, Ілля Володимирович; Воронов, Сергій Олександрович; Неймаш, Володимир Борисович
    Ольховик І.В. Вплив лазерного випромінювання на процеси індукованої оловом кристалізації аморфного кремнію. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 105 Прикладна фізика та наноматеріали. Найменування вищого навчального закладу, у якому здійснювалась підготовка: НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО». Дисертаційна робота присвячена вивченню процесів кристалізації аморфного кремнію індукованої оловом та механізмів формування нанокристалів кремнію у шаруватих структурах a-Si/Sn. Досліджено можливість використання різних видів лазерного випромінювання для створення умов кристалізації аморфного кремнію індуковану оловом та одночасно контролю якості нанокристалів кремнію. Зміст дисертаційного дослідження подано в п’яти розділах, де представлено та обґрунтовано основні результати роботи. У вступі обґрунтовується актуальність теми, загальні положення, формулюється мета і завдання дослідження. Ставляться задачі для її досягнення. Перераховуються методи дослідження плівкових напівпровідникових матеріалів. Стисло перераховуються отримані наукові результати та практичне значення результатів представлених у дисертації. У першому розділі проведено короткий аналіз основних літературних даних по проблемам сонячної енергетики та перспективних шляхів їхвирішення засобами кремнієвих технологій. Зокрема розглянуті принципові фізичні та технічні обмеження ефективності сонячних елементів. Показано, що суттєвого підвищення ефективності сонячних елементів можна досягти завдяки використанню каскадного принципу їх побудови. Описані основні недоліки існуючих СЕ каскадного типу та можливі шляхи їх подолання за рахунок використання квантових точок у вигляді нанокристалів кремнію. Продемонстровано, що одною з перешкод цьому є недостатній розвиток технологій керування розмірами нанокристалів та розділення шарів з різними розмірами нанокристалів. Розглянуто основні уявлення про процеси МІК та описані переваги використання саме олова для МІК кремнію. Детально описано сучасні уявлення про механізм сприяння оловом переходу кремнію із аморфного у кристалічний стан. Приведено результати експериментів, що свідчать про здатність лазерного опромінення впливати на такий перехід. Обґрунтована мета дослідження і сформульовані експериментальні задачі для її досягнення. У другому розділі коротко описані методи виготовлення і дослідження плівкових напівпровідникових матеріалів, які використані у роботі. Це - виготовлення шаруватих структур Si/Sn/Si осадженням із газової фази; комбінаційне розсіювання світла; електронна мікроскопія; атомно-силова мікроскопія; рентгенівський флуоресцентний аналіз). Представлені методи аналізу експериментальних даних. У тому числі – методи аналізу фазового стану кремнію по спектрам раманівського розсіювання на основі теорії просторово обмежених фононів. У третьому розділі представлені результати дослідження особливостей мікроструктури поверхні та об’єму шаруватих плівок Si/Sn/Si, які виготовлені шляхом послідовного осадження парів кремнію та олова і використані у роботі в якості об’єктів дослідження. Показано, що первопричиною структуризації поверхні плівок Si/Sn/Si, є розплавлення і розпад на мікро-краплі шару олова під час осадження кремнію. Вперше досліджено і описано мікро- та наноструктурування плівок аморфного кремнію при його формуванні на поверхні розплавленого металу. Засобами атомно-силової та електронної мікроскопії отримані кількісні дані про шорсткість та латеральні розміри і форми структуризації рельєфу поверхні Si в залежності від товщини шару олова. Виявилося, що шаруваті плівки Si/Sn/Si, виготовлені методом термічно-вакуумного осадження, мають поверхню, рельєф якої структуруваний у вигляді квазі-сферичні утвореннь з латеральним розміром від 20 нм до 2-3 мкм. В залежності від товщини шару олова їх форма і розмір змінюється від випуклих еліпсоїдів та багатокутників до гроно-подібних дендритів фрактального типу. Такі дендрити можуть створювати поруватий (розміри пор лежать в діапазоні від 1 до 100 нм) шар аморфного кремнію, фізичні властивості якого досі не вивчалися. В результаті досліджень впливу термообробок таких шаруватих плівок Si/Sn/Si в області 800 С° експериментально продемонстрована можливість отримання завдяки індукованій оловом кристалізації аморфного кремнію аморфно-кристалічного нанокомпозиту, який містить кристаліти кремнію з середніми розмірами 3 нм та їх часткою в об’ємі понад 90 %. У четвертому розділі представлені результати дослідження процесів утворення нанокристалів кремнію у плівкових структурах Si/Sn та Si/Sn/Si при температурах 20 – 550 0С під опроміненням лазерним опроміненням з довжиною хвилi λ = 488,0 нм і потужністю 104 - 106 Вт/см2 при різних умовах тепловідводу в підкладку. Порівняльний аналіз Раманівських спектрів свідчить, що лазерне опромінення потужністю 10 мВт/мкм2 за час 1-6 хв здатне перевести приблизно половину кремнію в шаруватій структурі a-Si/Sn із аморфного у кристалічний стан, що в умовах термообробки в темряві потребує принаймні на порядок більшого часу. Виявилося, що процеси кристалізації аморфного кремнію індукованого оловом прискорюються під дією лазерного опромінення і без впливу на температуру. Тобто має місце нетепловий механізм лазерного сприяння ОІК. Характерно, що він діє лише при температурах вище 230 0С (температура плавлення олова). Експериментально виявлена і досліджена чутливість фононного піку новостворених нанокристалів кремнію до інтенсивності опромінення лазерного збудження КРС. Встановлено, що ця чутливість не повязана зі зміною температури, а зумовлена оптичною компонентою впливу лазерного світла. Даний ефект інтерпретовано впливом нерівноважної заселеності фононів, що виникає через електрон-фононну взаємодію фотоіндукованих носіїв заряду внаслідок високого темпу генерації останніх при високій потужності збудження. У п’ятому розділі представлені результати дослідження впливу на оловом індуковану кристалізацію аморфного кремнію кількох видів імпульсного лазерного опромінення. Засобами раманівської спектроскопії шаруватих структур Si/Sn та Si/Sn/Si проаналізовано особливості генерації і накопичення нанокристалів Si під лазерним опроміненням з довжиною хвилі 535 нм і 1070 нм з тривалістю імпульсів 10 нс і 150 мкс в діапазоні потужності лазерного променю від 1,4 ∗ 104 Вт см2 до 2,18 ∗ 108 Вт см2. Опромінення здійснювалося як одинарними імпульсами, так і серіями по 2 - 5 імпульсів. Виявилося, що як і випадках опромінення безперервним лазером, утворення, ріст і накопичення нанокристалів тут теж мають порогів характер залежності від інтенсивності світла. Експериментально показано, що змінюючи потужність лазерного променю в імпульсі і кількість серій одноімпульсних сканувань можливо регулювати розмір і концентрацію нанокристалів в аморфно-кристалічному нанокомпозиті, що утворюється, з 1,5 до 5,0 нм і з 40 до 90% відповідно. Цей результат може служити принциповою основою для розробки технологій виготовлення шаруватих структур нанокремнію з різною шириною забороненої зони для СЕ каскадного типу на кремнієвих наноточках. Глибина прогріву поверхневого шару аморфного кремнію лазерним імпульсом крім потужності визначається довжиною хвилі (коефіцієнтом поглинання) та тривалістю імпульсу . Наприклад, для інфрачервоного ( = 1040 нм) лазеру при =150 мкс теплова глибина th = 6 10-5 см. Для зеленого ( = 535 нм) th = 8 10-6 см. Очевидно, що глибина і ступінь прогріву шаруватих структур, яких відбувається процес ОІК Si, можуть служити технологічними факторами формування шарів nc-Si заданих розмірів і заданого просторового розподілу. Додаткові можливості управління процесами МІК надає застосування коротких лазерних імпульсів великої потужності. В дисертаційній роботі отримано наступні наукові результати: Вперше: 1. Виявлено фрактальний характер структуризації аморфного кремнію в мікро- і нанометровому масштабі при його осадженні із газової фази на поверхню рідкого олова. 2. Експериментально показано, що стимулюючий вплив лазерного опромінення на оловом індуковану кристалізацію аморфного кремнію має не теплову (тобто не впливаючу на температуру зразку) складову. Висунута гіпотеза механізму її дії через збільшення розчинності аморфного Si в олові на інтерфейсі їх шарів під час ОІК в наслідок ослаблення і обриву ковалентних зав’язків a-Si, викликаних фото-іонізацією лазерним світлом та екрануванням нерівноважними фото-електронами. 3. Експериментально показано, що саме нетеплова складова впливу лазерного світла викликає нелінійний за інтенсивністю «червоний» зсув раманiвського спектру нанокристалiчного кремнію, на відміну від спектру монокристалічного Si. Це може свідчити на користь гіпотези про нерівноважну заселеність фононів через електрон-фононну взаємодію фотоіндукованих носіїв заряду внаслідок високого темпу генерації останніх при високій потужності збудження лазерним світлом. Удосконалено: 1. Удосконалено технологію виготовлення шаруватих плівок Si/Sn/Si за методом термічно-вакуумного осадження із газової фази в плані покращення контролю їх якості завдяки з’ясуванню впливу співвідношення товщин шарів на мікроструктуру об’єму та рельєфу поверхні плівок. 2. Удосконалено точність оцінки розмірів нанокристалів Si із аналізу їх Раманівських спектрів завдяки експериментальному виявленню нелінійної чутливості таких спектрів до інтенсивності світлового збудження комбінаційного розсіювання. Набуло подальшого розвитку: 1. Розуміння впливу головних параметрів лазерного випромінювання: довжини хвилі випромінювання, тривалості лазерного імпульсу та інтенсивності лазерного опромінення та температури на формування нанокристалів кремнію в шаруватих структурах Si/Sn, Si/Sn/Si при різних умовах тепловідводу. 2. Експериментальне підтвердження чутливості раманівського спектру нанокристалів кремнію до інтенсивності лазерного опромінення навіть при стабільній температурі на відміну від спектру монокристалічного кремнію. Цей факт інтерпретовано встановленням в області вимірювання нетеплового розподілу фононів, залежного від рівня оптичного збудження, що в результаті впливає на раманівський спектр нанокристалів у вигляді низькочастотного зсуву фононної смуги нанокристалів. 3. Оцінювання стимулюючого впливу інтенсивності лазерного випромінювання на процеси кристалізації аморфного кремнію індуковану оловом та встановлено його пороговий характер. Даний результат інтерпретовано фазовим переходом олова із твердого у рідкий стан при відповідній інтенсивності лазерного випромінювання. Це може свідчити на користь механізму кристалізації аморфного кремнію індуковану оловом через утворення евтектики Sn-Si. Практичне значення результатів представлених у дисертації полягає в: 1. Підтверджені можливості використання безперервного лазерного випромінювання для створення температурних умов кристалізації аморфного кремнію індукованої оловом. Та одночасно для контролю температури обробки, розміру новостворених кристалів та частки нанокристалічної кремнієвої фази в шаруватих структурах Si/Sn за допомогою аналізу спектрів комбінаційного розсіювання світла. 2. Отримані в роботі результати можуть бути використані для вдосконалення технології виготовлення аморфно-кристалічних нанокомпозитів на основі кремнію і контролю якості шаруватих структур Si/Sn/Si для виробництва електронних приладів фотоелектричного перетворення.
  • ДокументВідкритий доступ
    Бездавачеве керування електромеханічними системами турбомеханізмів з використанням технології нейромереж
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Землянухіна, Ганна Юріївна; Бур’ян, Сергій Олександрович
    Землянухіна Г.Ю. Бездавачеве керування електромеханічними системами турбомеханізмів з використанням технології нейромереж. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. У дисертаційній роботі вирішується задача підвищення ефективності роботи турбомеханізмів за рахунок розробки бездавачевої електромеханічної системи автоматичного керування з оцінювачами технологічних координат на основі штучних нейронних мереж в умовах зміни параметрів гідромережі. У першому розділі проведено аналіз існуючих сучасних енергоефективних систем керування турбомеханізмами, що живляться від альтернативних джерел енергії, та систем бездавачевого керування з метою обґрунтування необхідності вирішення розглянутої у роботі науково-прикладної задачі. За результатами аналітичного огляду встановлено, що використання датчиків технологічних координат значно збільшує вартість та ускладнює процес обслуговування таких систем керування турбомеханізмами, зокрема насосами, вентиляторами та компресорами. Тому сучасні методи реалізації бездатчикових систем керування, зокрема використання штучних нейронних мереж, представляють перспективним підходом. Здатність цих мереж до навчання на основі обширних вхідних даних робить їх ефективним інструментом для оцінювання координат турбомеханізмів. Розглянуто типові автономні системи генерації електричної енергії, а саме при використанні асинхронних, синхронних двигунів та машин подвійного живлення. Серед новітніх альтернативних систем для генерації електричної енергії набувають популярності вітроустановки, які використовують асинхронні генератори. У другому розділі проведено розробка та опис тренування оцінювачів технологічних координат на основі теорії штучних мереж із класичними структурами мереж та стандартними алгоритмами їх навчання, а також при використанні модифікованої структури нейронних мереж із зворотнім зв’язком, що дозволяє підвищити точність оцінювання при варіаціях опору гідравлічної мережі. Наведено математичний опис нейронних мереж, що, як наслідок, в подальшому дозволяє реалізувати розроблені нейронні мережі використовуючи низько-середньо рівневі контролери, такі як програмовані логічні інтегральні схеми (ПЛІС) та інші. Розглянуто покроковий алгоритм навчання нейронних мереж із класичною та модифікованою схемою перцептронів за допомогою інструментів MATLAB nntool та ntstool відповідно. Наведені результати тренування оцінювачів технологічних координат, а саме оцінювача тиску та продуктивності, показують, що точність такого оцінювача становить 10%. У третьому розділі наведено математичний опис та опис основних елементів двох варіантів електромеханічної системи керування турбомеханізмом при живленні від вітрогенератора з використанням електронного регулятора навантаження (ЕРН) та статичного компенсатора (STATCOM). Проведено дослідження системи водопостачання при живленні від вітрогенератора із застосуванням статичного компенсатора в умовах стабілізації тиску гідромережі методом математичного моделювання використовуючи пакети прикладних програм MATLAB Simulink та SimPowerSystems. Результати вказують на те, що розроблена система забезпечує стабілізацію напору в гідравлічній мережі на задовільному рівні при змінах опору відповідно до технологічних вимог. Динамічна похибка в регулюванні напору системи не перевищує 1%. Використовуючи теорію штучних нейронних мереж, досліджено коефіцієнт корисної дії (ККД) насосу систем в межах типового добового циклу споживання води. Для проведення дослідження створено оцінювач ККД, тренування якого здійснювалося на основі статичних характеристик насосу, які можна отримати з каталогів обладнання відповідних виробників. У четвертому розділі розглянуто різні типи реалізації системи стабілізації напруги асинхронних генераторів, такі як електронний регулятор навантаження (ЕРН) та статичний компенсатор (STATCOM). Як наслідок встановлено, що використання електронного ЕРН в автономній системі генерації електричної енергії дозволяє втрати енергії, що утворюються при живленні основних активних споживачів, перерозподіляти для задоволення потреб споживачів системи водопостачання. Проведено дослідження системи керування турбомеханізмом при використанні оцінювача тиску із класичними структурами мереж та стандартними алгоритмами навчання, а також при використанні модифікованого оцінювача тиску із зворотнім зв’язком. Дослідження перехідних процесів систем проводилися методом математичного моделювання в умовах стабілізації тиску. Результати дослідження показують, що динамічна похибка відпрацювання тиску системи не перевищує 1%. Порівнюючи оцінені значення тиску, які отримані від системи бездатчикового керування турбомеханізмом при живлені від вітрогенератора із використанням електронного регулятора навантаження, і фактичний тиск, що може бути виміряний за допомогою датчика тиску, встановлено, що похибка оцінки тиску знаходиться в межах від 0% до 14%. Похибка в оцінці тиску в бездатчиковій системі керування турбомеханізмом із використання статичного компенсатора знаходиться в діапазоні від 0% до 8%, що відповідає технологічним вимогам і є прийнятним для вимірювання координат мережі за допомогою контрольно-вимірювальних приладів. У п’ятому розділі наведено опис експериментального стенду для дослідження бездавачевої системи керування вентилятором, умови проведення експерименту та результати проведення експериментальних досліджень. Дослідження вказують на те, що для приблизно 40% діапазону частот розроблений алгоритм управління є ефективним і може забезпечити точне оцінювання технологічних координат. Це відкриває можливість використання оцінювачів, реалізованих на основі теорії штучних нейронних мереж, для заміни датчиків у таких системах. Наведено опис експериментального стенду для дослідження системи водопостачання із використанням оцінювачів коефіцієнта корисної дії (ККД) та продуктивності. Реалізовано нейронні мережі на основі їх математичного опису для оцінювання технологічних координат на базі програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС). Підтверджено ефективність розробленого оцінювача ККД насосної установки, розбіжність між експериментальними та модельними даними не перевищує 15% на напорах до 7 метрів і 5% від 7 до 20 метрів, що вважається прийнятним для використаного обсягу даних і характеристик вхідних сигналів нейронної мережі. У рамках дослідження здійснено техніко-економічне обґрунтування застосування програмованих логічних інтегральних схем у порівнянні з традиційними датчиками тиску та продуктивності в системах водопостачання. Отримані результати дозволили зробити висновок щодо можливостей оптимізації ефективності систем водопостачання за допомогою використання ПЛІС. Враховуючи технічні та економічні аспекти, використання ПЛІС виявилося конкурентоспроможним та перспективним підходом порівняно із традиційними методами, такими як застосування датчиків тиску і продуктивності (витратомірів). Результати роботи впроваджено: в ДП «Сіменс Україна» (м. Київ) та в освітній процес у Київському політехнічному інституті імені Ігоря Сікорського для вдосконалення лекційних курсів та оновлення циклів лабораторних робіт дисциплін «Електромеханічні системи типових технологічних застосувань» та «Керування та автоматизація технічних систем». Подальше впровадження результатів дисертації рекомендується на підприємствах електротехнічного профілю України.
  • ДокументВідкритий доступ
    Композиційні моделі телекомунікаційних систем в суб'єкто-об'єктному середовищі програмування
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Зилевіч, Максим Олегович; Редько, Ігор Володимирович
    Зилевіч М.О. Композиційні моделі телекомунікаційних систем в суб'єктооб'єктному середовищі програмування. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 “Телекомунікації та радіотехніка”. – Національний технічний університет України “Київський полiтехнiчний iнститут iменi Ігоря Сiкорського”, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливої та актуальної науковоприкладної задачі – технологізації процесів вирішення сучасних задач в людиномашинних, зокрема, телекомунікаційних системах, методом композитологічного уподібнення – логічного ядра суб’єкто-об’єктного середовища програмування (СОСрП). Дисертаційне дослідження складається зі вступу і чотирьох розділів, які відображають та обґрунтовують основні результати роботи. У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, висвітлено зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами НДР КПІ ім. Ігоря Сікорського. Сформульовано мету та вказані задачі, вирішення яких передбачає досягнення мети дослідження. Визначено об’єкт, предмет та методи дослідження, надано інформацію про наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено інформацію про висвітлення результатів роботи в періодичних наукових виданнях та їх апробацію на наукових конференціях. У першому розділі розглянуто ряд важливих питань, пов'язаних з розробкою програмно-апаратних комплексів у галузі телекомунікацій і його якістю. Головна ідея полягає в тому, що розвиток інформаційних технологій підвищує вимоги до якості та ефективності програм, але сучасний підхід до програмування, не завжди відповідає вимогам сьогодення і більше спирається на інтуїцію та досвід програмістів. Тому, актуальним є перегляд підходів до програмування і питання того, як можна базувати програми на технологічних принципах і теорії інформації. Досліджено реально-номінальні розбіжності, які виникають між очікуваною роботою програми і тим, як вона фактично функціонує. Акцентовано увагу на важливості реального врахування причинонаслідкового зв’язку між програмуванням та програмою та значущості цього зв'язку для ефективної розробки програмно-апаратних комплексів. Показано особливості та передумови концептомонадної парадигми як інтерсуб’єктивної основи СОСрП. Описано відповідну понятійну систему, що, зокрема, включає такі поняття, як суть, сутність, монада, концепт, композит, оракул тощо. Показано на репрезентативних прикладах оракульне та редукційне концептування, а також конкретний приклад застосування оракульного концептування при розробці та нотації програмного рішення у мові програмування Verilog. Наголошено на питаннях адекватності суб'єкто-об'єктної парадигми та розглядається можливість типізації сутностей у суб'єкто-об'єктних системах для поліпшення їх ефективності та точності. У другому розділі проведено виклад основних концепцій, принципів та понять композиційного програмування, що утворюють основу теоретичних досліджень та практичних розробок у галузі універсальних та спеціалізованих мов програмування та мовних процесорів. Спільність концепцій композиційного підходу та засобів специфікації мов програмування та мов, що використовуються для схематичного опису інтегральних мікросхем дозволяє поєднати два найважливіших напрями інформатики: мови програмування та схемотехнічного дизайну, адже схемотехнічна розробка близька до програмування, а схемотехнічні рішення – до програм. Досліджено основні змістовні влативості програм. Проаналізовано три основні аспекти програм – прагматика, семантика та синтаксис у їх взаємодоповненні, засадничі принципи, що визначають цю взаємодію та проведене їх прагматико-обумовлене збагачення на область схемотехнічних рішень. Суть описаних аспектів показано на репрезентативних прикладах. Описано основні властивості композицій програм, серед яких особливу увагу приділено адекватності та обчислюваності. Проаналізовано принципи обумовленості, підпорядкованості та віддільності, що визначають взаємодоповнюваність основних аспектів рішень, визначають три основні етапи конструювання програми: аналіз прагматичних вимог, семантичне конструювання програми, синтаксичне оформлення програми. Опрацьовано програмні дефінітори, що визначають зв’язок між семантикою та синтаксисом мови програмування і як наслідок надають можливість створення інтерпретованої мови програмування. Здійснено принципове збагачення програмного дефінітора як замкненої у конкретній мові програмування системи до програмного дескриптора як відкрито-замкненого середовища існування програмних дефініторів. На репрезентативному прикладі продемонстровано використання концептів програмування у вигляді семантичних шаблонів як ланок програмного ланцюга, які обумовлюють певні класи програм. Використано програмний дескриптор, який виступає у ролі засобу трансляції композитів та базових функцій системи програмування у їх синтаксичні представлення. За допомогою редукційного програмування у заданій системі була отримана програмна специфікація, коректність якої випливає з її побудови. На основі отриманої специфікації за допомогою дескриптора отримано код програми. Визначено композиційні основи СОСрП та обґрунтовано прагматичне положення про концептологічну парадигму програмування. Описано основні парадигми, що характерні СОСрП. У третьому розділі розглянуто композитосутністі основи СОСрП як концептуальноєдиної інтеграційної платформи програмування. Продемонстровано на ряді репрезентативних прикладів та в цілому обгрунтовано, що дане середовище, успадковуючи позитивні сторони традиційних підходів, також суттєво розвиває їх, зокрема, у напрямку врахування взаємодоповнюючої (причино-наслідкової) природи зв’язку вирішення задачі та її рішення, програмування та програми. Такий підхід реально, а не тільки номінально, підтримує взаємодоповнення основних аспектів програмування, забезпечуючи реальну продуктивність отримуваних результатів. Розкрито значення основних загальних властивостей композицій – тотальності, адекватності та замкненості. Ці властивості допомагають обґрунтувати прагматичну обумовленість та відносність виокремлення композицій як засобів проєктування серед різноманіття алгебраїчних операцій, а також конкретизують важливі взаємозв'язки між ключовими учасниками проєктних рішень – його розробниками та тими, на кого вони орієнтовані. Досліджено логіко-предметні передумови суб’єкто-об’єктної системи програмування (СП) як композитної конкретизації СОСрП. Запропоновано ряд редукційних схем як предметно-орієнтованих шаблонів програмування. Останні предметно розвивають метод редукцій. На репрезентативних прикладах розкрито редукційні аспекти програмної релятивізації, показано приклад логіко-математичної релятивізації рішень задач в побудованій СП. Показано, що композито-композиційна релятивізація рішень задач реально підтримує семантико-синтаксичну підпорядкованість вирішення задач на відміну від синтаксисо-семантичних підходів, що розглядають семантику рішення (програму) виключно через інтерпретацію його коду (тексту у мові програмування). Розглянуті приклади вирішення задач у суб’єктооб’єктній системі демонструють важливі загальні особливості редукційного концептування оракульних схем. У четвертому розділі описано основні методи розробки суб’єкто-об’єктних середовиш програмно-апартного проєктування. Визначено, що описані підходи не забезпечують системності. Жоден з них не охоплює процесу від початкового задуму до фактичної реалізації. Вони виступають лише як інструменти організації, але не надають конкретних настанов для організації всього процесу проєктування. Описано основні положення мови Verilog. Розроблено дослідну реалізацію СОСрП, що підтримує розробку програмно-апаратного забезпечення. Користувач може задати дескрипцію вирішення задачі у мові специфікації композицій із подальшою генерацією коду на мові програмування Verilog. Можлива підтримка створення апаратного забезпечення із залученням FPGA як базису апаратної платформи із використанням САПР “Quartus”, що значно спрощує процес розробки програмно-апратного комплексу, отриманого за допомогою суб’єкто-об’єктного середовища програмування. У дисертаційній роботі отримано наступні нові наукові результати дослідження: 1. Набуло подальшого розвитку предметне збагачення концепто-монадної парадигми програмування видом телекомунікаційних систем програмування та запропоновано відповідну понятійну систему телеконцептування. Зміст їх розкрито у концептомонадному середовищі через оракули «обумовлення», «концепт», «монада», «сутність», «суть». Це забезпечує можливість реальної інтеграції наявних підходів проєктування програмно-апаратних комплексів телекомунікаційних систем у вигляді взаємодоповнення процесів програмування та їх результатів, що складатиме основу реального розуміння програмування і дозволить відійти від сучасного інтуїтивного базису, якісно його розвинувши за допомогою сучасних досліджень та розробок. 2. Вперше розкрито прагматичну обумовленість зведення до телеконцептограм генетичних структур програм. Це дозволяє реально, а не лише номінально підтримувати причинно-наслідкові зв’язки при вирішенні задач, а також способи, методи та засоби їх специфікації. В якості телеконцептограм розглянуто телекомпозити – спеціальні класи суб’єктоорієнтованих базових телекомпозицій. Таким чином, телеконцептування на предметному рівні зводиться до вирішення відповідних рівнянь телекомпозитних редукцій, шо забезпечує коректність отримуваних рішень "за побудовою". 3. Подальшого розвитку набуло застосування підходу оракульного телеконцептування для предметного збагачення СОСрП. На репрезентативних прикладах показані його особливості та перспективи подальшого розвитку. До особливостей відноситься те, що кожна підзадача може бути проконцептована до найпростішої під задачі. Також використання оракульного телеконцептування дає можливість використання традиційного математичного апарату для нотації результату та поєднання його з денотативними методами. Реалізація такого методу на практиці сприяє уніфікації процесу розробки програмно-апаратного продукту, тим самим оптимізує та реально об’єктивізує вплив активної ролі суб’єкта у телеконцептуванні через механізм оракульних телекомунікацій як технологію телекомунікаційних рішень задач. 4. Вперше запропоновано основні логіко-предметні засади суб’єкто-об’єктної телекомунікаційної системи програмування як предметного замикання СОСрП. Головною особливістю створюваних таким чином систем програмування є те, що вони реально, а не лише номінально підтримують причинно-наслідкове взаємодоповнення двох складових вирішення будь-якої програмістської задачі – програмування як породження та застосування композицій і програми – наслідку програмування. Отримано наступні практичні та теоретичні результати досліджень: 1. Розроблена дослідна реалізація СОСрП, що підтримує розробку програмного забезпечення як предметного замикання відповідного середовища. Прагматикообумовлені умови такого замикання задаються у дескриптивному середовищі композиційних термів. Синтаксичне оформлення рішення здійснюється Verilog-дескриптором. Можлива підтримка створення апаратного забезпечення із залученням FPGA як базису апаратної платформи із використанням САПР “Quartus”. 2. Одержані в дисертації нові результати використані під час виконання науково-дослідної роботи “Композитологічні засади технологічних систем програмування” (№0122U001568), та як матеріали при підготовці та викладанні курсу лекційних і практичних занять з дисципліни “Системне програмування та керування базами даних в телекомунікаціях” другого (магістерського) рівня вищої освіти спеціальності 172 «Електронні комунікації та радіотехніка» освітньо-професійної програми «Інформаційно-обчислювальні засоби радіоелектронних систем», що підтверджено відповідною довідкою та актом.
  • ДокументВідкритий доступ
    Акустичне виявлення безпілотних літальних апаратів
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Сокольський, Сергій Олегович; Мовчанюк, Андрій Валерійович
    Сокольський С.О. Акустичне виявлення безпілотних літальних апаратів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 «Телекомунікації та радіотехніка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. У дисертаційній роботі вирішено актуальне науково-технічне завдання — розроблення пристрою з одним вхідним сенсором-мікрофоном для виявлення малих безпілотних літальних апаратів на основі аналізу акустичних сигнатур. Розроблена модель системи дає змогу підвищити ефективність виявлення дронів за рахунок використання нейронної мережі для обробки акустичних сигналів. Основний зміст дисертаційної дослідницької роботи наведено в чотирьох розділах, де представлено та обґрунтовано основний результат. У вступній частині підтверджена актуальність роботи, сформульована мета, завдання та методи дослідження, надана інформація про наукову новизну, а також практичне значення отриманих результатів. У першому розділі був проведений порівняльний та критичний аналіз потенційних можливостей основних методів виявлення малих безпілотних летальних апаратів (МЛА): оптичного, радiолокацiйного та акустичного. Кожним із методів розраховано теоретичну максимальну дальність виявлення безпілотника моделі «DJI Mavic 3» який зараз активно використовується військовими для розвідки. Встановлено, що оптичний метод передбачає використання камер високої розділової здатності у світлу пору дня, але він занадто залежний від природних чинників навколишнього середовища, наприклад, дощу або туману. У темну пору доби зазвичай використовують інфрачервоні оптичні пристрої. Основними недоліками такого підходу є невисока максимальна дальність виявлення цілі та поглинання атмосферою IЧ випромінювання, крім «вікон» із межами довжин хвиль 3 – 4 та 8 – 12 мм. У результаті наведених розрахунків встановлено, що дальність визначення цілі оптичним методом складає біля 250 м, а з використанням ІЧ приймача — 79,5 м. Зазначено, що радіолокаційні методи поділяються на активні та пасивні. Радіолокаційні системи можуть працювати в будь-яку частину доби та дають змогу виявляти МЛА на відстанях до кількох кілометрів (9,8 км). У результаті аналізу спектру радіочастотного сигналу можна отримати найбільш детальну інформацію про ціль. Основним недоліком радіолокаційних методів є те, що всі РЛС не працюють у ближній зоні. Встановлено, що акустичні сенсори дають змогу ефективно виявляти безпілотні летальні апарати, незважаючи на рельєф оточуючого середовища, але результати залежать від наявних акустичних фонових шумів та завад. Ефективна дальність виявлення дрону склала біля 78 м. У висновках зазначено, що оскільки МЛА мають невисокий рівень ІЧ випромінювання та радіолокаційних сигнатур, то актуальним стає питання розроблення детектора із використанням акустичного методу виявлення дронів та великою максимальною відстанню до цілі. У другому розділі розглянуто реалізацію простого та дешевого для конструювання акустичного детектора з одним мікрофоном. Він дає змогу виявляти акустичні коливання, що видають двигуни та лопоті дрону, і який потім можна проаналізувати для визначення місцезнаходження та траєкторію руху МЛА. Для реєстрації детектором звукових хвиль було запропоновано використовувати електретний мікрофон CMA-4544PF-W із поролоновою вітрозахисною насадкою, а для забезпечення широкого динамічного діапазону та захисту детектора від перевантаження — підсилювач із системою автоматичного регулювання підсилення зі зворотним регулюванням на базі інтегральної мікросхеми МАХ9814. Для подальшої цифрової обробки сигналів на ПК, буде використовуватись аналого-цифровий перетворювач із частотою дискретизації 48 кГц і розрядністю 16 біт, та зовнішня звукова карта CM6206 із лінійним входом. За результатом тестових випробувань була створена база аудіофайлів шуму квадрокоптера «DJI Mavic 3». Спектри отриманих аудіозаписів випромінювання квадрокоптера надають змогу визначити основні частоти тонів, кількість яких збігається з кількістю електромоторів та є важливими ознаками під час розроблення алгоритму класифікації безпілотників. Третій розділ описує процес розроблення алгоритму для ефективного виявлення та класифікації аудіосигналів МЛА із використанням згорткової нейронної мережі глибокого навчання, побудови архітектури та теоретичного оцінювання ефективності її роботи. Перед подачею набору аудіозаписів дронів на вхід нейронної мережі, підвищили їхню якість, застосувавши нормалізацію, Вінеровську фільтрацію, сегментацію — поділили аудіо на кадри тривалістю 25 мс із перекриттям 50% та віконне керування за допомогою вікна Хеммінга, оскільки в завданні оброблення аудіосигналів важливіша точність у часовій області. Отримані дані розділили в співвідношенні 60/20/20 на три набори: для навчання, валідації та тестування. Далі представили дані спрощеним набором ознак, визначивши з кожного кадру оброблених аудіосигналів мелспектрограми, для фіксації часових та спектральних характеристик. Діапазон частот аналізу становить межі робочих частот моделі мікрофону (20 Гц — 20 кГц), частотна розділова здатність 50 Гц, а кількість робочих мел-смуг дорівнює 30. Використовуючи навчальні дані та витягнуті ознаки аудіосигналів, розробили архітектуру нейронної мережі для досліджень роботи алгоритму виявлення та класифікації дронів. Вона складається із 10 пар шарів згортки, ReLU, пакетної нормалізації та шарів максимального пулингу. Їхня кількість визначається розміром вікна об'єднання вздовж часового виміру. Далі ідуть шари згладжування, відсікання, повнозв'язний та Softmax. Для нормалізації вихідних даних і отримання фінальних ймовірностей застосовується шар класифікації. У якості оптимізатора для навчання моделі обрано Adam. Відповідно до характеристик набору даних, початкова швидкість навчання дорівнює 0.001, а після проходження 75% епох поступово зменшується в 10 разів, для покращення збіжності. Точність розпізнавання вхідних даних складає 99 %, оцінка F1 — 0.93, що вказує на високий рівень загальної продуктивності архітектури. У четвертому розділі проведено практичне тестування роботи готової моделі згорткової нейронної мережі. Ефективна дистанція виявлення МЛА алгоритмом дорівнює 200 м, що за методом експертних оцінок, значно перевершує можливості людського слуху з максимальною відстанню до 120 м. Підтверджено, що розроблений алгоритм може замінити людський персонал в операціях спостереження за дронами, пропонуючи підвищену ефективність і надійність під час захисту громадян, об’єктів критичної інфраструктури та національної оборони. Також надані рекомендації для подальшого покращення продуктивності та адаптивності алгоритму: використання різноманітних наборів даних, мультимодальне зондування, постійне вдосконалення, співпраця та використання передових методів машинного навчання. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що: 1) Вперше запропоновано математичну модель ідентифікатора МЛА, наукова новизна якої полягає в тому, що вона ґрунтується на використанні бази аудіозаписів акустичних сигнатур дронів та надає можливість зменшити похибку під час класифікації їхньої моделі. 2) Вперше розроблено метод цифрової обробки акустичних сигналів дронів, наукова новизна якого полягає в тому, що він ґрунтується на теорії штучного інтелекту та використовує згорткову нейронну мережу глибокого навчання з оптимізатором Adam для підвищення швидкості та ефективності ідентифікації типу малих безпілотних літальних апаратів. 3) Удосконалено методику розрахунку кількості мел-фільтрів та їхнього частотного діапазону, що, на відміну від існуючих, враховує бажану частотну розділову здатність та дає змогу підвищити швидкість та точність отримання основних представлень аудіосигналу МЛА під час використання техніки зважування коефіцієнтів ШПФ за допомогою банків мел-фільтрів. Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що: 1) На основі розробленої математичної моделі, створено базу аудіосигналів малих безпілотних літальних апаратів моделей «Mavic 2 Pro», «Mavic 3» та «FPV», що використовуються військовими в розвідувальних операціях, а також цивільного квадрокоптера «Feilun Fx137». 2) На основі розробленого методу та методики, написано програмне забезпечення для швидкого та ефективного оброблення аудіосигналів малих безпілотних літальних апаратів із використанням згорткової нейронної мережі глибокого навчання з оптимізатором Adam. 3) Створено акустичний детектор малих безпілотних летальних апаратів з ефективною відстанню виявлення об’єктів до 200 метрів. 4) Надано відповідні універсальні рекомендації для подальшого вдосконалення системи детекції малих безпілотних літальних апаратів. Практичний результат дисертаційного дослідження може бути використаний під час побудови ефективних антидронних систем для оборони громадян та об’єктів критичної інфраструктури. Частину результатів дисертаційної роботи отримано та впроваджено на підприємстві ТОВ «ТІНСТРУМ» за договором № Дндч/0201.01/2100.02/47/2023.
  • ДокументВідкритий доступ
    Діагностика шихтованих магнітопроводів електричних машин при високочастотних впливах
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Ігнатюк, Євген Станіславович; Чумак, Вадим Володимирович
    Ігнатюк Є.С. Діагностика шихтованих магнітопроводів електричних машин при високочастотних впливах. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена підвищенню надійності роботи електричних машин з різним рівнем відпрацьованості їх розрахункового ресурсу шляхом розробки та впровадження ефективних малозатратних методів діагностики шихтованих осердь, зокрема оцінки якості міжлистової ізоляції та стану пресування пакету в електричних двигунах загального призначення та наданню обгрунтованих рекомендацій по їх подальшій експлуатації. У першому розділі описано вплив технологічних факторів на характеристики шихтованих магнітопроводів електричних машин та огляд існуючих методів діагностики стану міжлистової ізоляції та рівня розпушеності пакету. Наведено причини виникнення дефектів у шихтованих магнітопроводах в процесі виробництва та ремонту. Показано аналіз існуючих методів діагностики стану якості ламінованих осердь, що використовуються для виявлення пошкоджень та можливого прогнозування виходу з ладу ЕМ. Проаналізовано основні види дефектів, що можуть виникати в магнітопроводах, наслідки їх впливу на загальний і місцевий стан магнітопроводу, а також на роботу електричної машини в цілому. Більш детально описано ватметровий метод діагностики, метод тепловізійного контролю та віброакустичні методи діагностики магнітопроводів ЕМ як найбільш інформативні та придатні до створення системи комплексної діагностики шихтованих осердь. У другому розділі представлено фізичні основи зв’язку параметрів високочастотних перехідних процесів з питомими втратами в шихтованих магнітопроводах, приведено опис методу оцінки якості ламінованих осердь, що базується на реакції випробуваного магнітопроводу на швидкоплинні індукційні впливи. Надані статистичні оцінки зв’язку параметрів швидкоплинних індукційних процесів в магнітопроводі з втратами на перемагнічування при промислових частотах. Проведено статистичний аналіз експериментів, що були виконані високочастотним індукційним методом, по дослідженню фактичного стану бездефектних та дефектних шихтованих магнітопроводів різної геометричної конструкції, потужності та полюсності. Визначена регресійна залежність та приведені довірчі інтервали для оцінки точності діагностичних параметрів, що вимірюються. Визначено чотири ступеня дефектності магнітопроводів та відповідні межі діагностичних параметрів. Встановлено значну кореляцію між питомими втратами в магнітопроводі Р1,0/50 та загальними магнітними втратами та температурами в обмотках в зібраних і працюючих машинах різної потужності та геометрії магнітопроводу. Показано, що в результаті встановлення діагностичних параметрів і пов’язаних з ними питомих втрат в осердях необхідно проводити післяремонтну паспортизацію машини з обґрунтованим зменшенням навантаження для забезпечення розрахункового ресурсу роботи. Надані рекомендації по зміні номінальної потужності машини в залежності від рівня дефектності застосованого в ній магнітопроводу. Третій розділ присвячений математичному моделюванню високочастотного процесів по запропонованому індукційному методу контролю якості шихтованих магнітопроводів електричних машин загального призначення. Описано та обґрунтовано параметри бездефектного магнітопроводу. Проведено польове та математичне моделювання дефектних та бездефектних пакетів листів електротехнічної сталі в програмному середовищі COMSOL Multiphysics. Було проаналізовано вплив розвинутості дефектів магнітопроводів, пов’язаних з питомими втратами на вихрові струми шляхом моделювання зміни електричної провідності матеріалу сталі, збільшенням товщини листів магнітопроводу та утворенням паразитних контурів вихрових струмів, що відповідають локальним і інтегральним дефектам. Локальні дефекти моделювались шляхом металевого замикання сусідніх пластин, а інтегральні дефекти – збільшенням міжлистової поперечної електричної провідності пакету. Фізично та математично описано процеси, що протікають на прикладі умовного шихтованого пакету з 10 пластин товщиною 0,5мм, що потім експериментально досліджувався при фізичному моделюванні інтегральних і локальних дефектів. Результати моделювання та експериментальних досліджень показали хорошу збіжність, яка не перевищує 10% по оцінці загальних втрат в магнітопроводі згідно запропонованого індукційного методу. По отриманих даних було створено польову математичну модель в програмному пакеті COMSOL Multiphysics. Було проведено математичне моделювання та експериментальні дослідження магнітопроводу 4А90L4У3. По результатам моделювання та експериментальних досліджень були запропоновані діагностичні ознаки для оцінки магнітопроводів різного ступеню дефектності міжлистової ізоляції. Було проведено дослідження впливу локального дефекту магнітопроводу в зубцевій зоні двигуна АІР100L4У3 в зібраній машині з закладеними термодатчиками в дефектних та бездефектних частинах машини. По результатах розрахунку по створених теплових схемах заміщення і виміряним температурам при роботі зібраної машини були оцінені локальні втрати в дефектних та бездефектних зонах, а також температури в обмотках, що були укладені в дефектних і бездефектних частинах. Оцінена небезпека локальних дефектів зубцевої зони в магнітопроводах, що може привести до виходу з ладу міжвиткової ізоляції частини обмотки, яка знаходиться в пазах між дефектними зубцями. У четвертому розділі описано метод оцінки якості шихтованих магнітопроводів по стану міжлистової ізоляції та рівня розпушеності листів магнітопроводу. Метод дозволяє обґрунтувати рекомендації по подальшому використанню осердя по результатах аналізу діагностичних впливів при одночасному використанні швидкоплинних індукційних впливів та ударного вібраційного впливу при співвідношенні дефектів різного походження. Було розглянуто лабораторні зразки інформаційно-вимірювальної системи (ІВС) діагностики шихтованих магнітопроводів різного стану пресування, які були експериментально перевірені при виконанні відповідних досліджень. Наведено структурні схеми, описано алгоритми роботи, структуру та основні функції програмного забезпечення, що входить до складу розроблених ІВС. Проведено низку експериментів на лабораторній базі Інституту електродинаміки НАНУ м.Київ. Описано і показано поєднання експериментів з одночасним індукційним та віброакустичними впливами. Визначено три основні рекомендації по результатам запропонованого комплексного методу оцінки якості шихтованих магнітопроводів. П’ятий розділ описує структурні та функціональні схеми дослідного макету для дослідження стану якості шихтованого магнітопроводу високочастотним індукційним методом. Функціональна схема складається генератору синусоїдальних оливань високої частоти, блоку силових ключів на польових транзисторах, блоку живлення та блоку обробки та аналізу інформації. Структура вимірювально-діагностичної системи включає силову і вимірювальну частину, які пов’язані індукційним шляхом через об’єкт контролю на якому розташовано обмотку збудження та вимірювальну обмотку. пристрій дозволяє виконувати перевірку якості міжлистової ізоляції осердя електричних машин малої та середньої потужністі (об’єктів) без застосування додаткових вимірювальних приладів. Показані осцилограми бездефектних та дефектних магнітопроводів, що були отримані дослідним шляхом при вибраних тестових частотах 10кГц і 1кГц та відповідні їм амплітуди напруг на контрольній обмотці, відношення яких, дозволяють визначити діагностичний коефіцієнт Кд, який показує межі питомих втрат при В1,0/50. Вимірювання діагностичного коефіцієнту Кд за допомогою створеного макету дозволяє оцінити втрати в магнітопроводі різного рівня дефектності для чотирьох випадків: 1) Зелений колір – питомі втрати в магнітопроводі не перевищують 4 Вт/кг. Відповідає якісному магнітопроводу. 2) Жовтий колір – питомі втрати в магнітопроводі становлять від 4 до 8 Вт/кг. Магнітопровід першого ступеню дефектності. При його використанні потребуєтться корекція паспортних даних зібраного на його основі двигуна. 3) Оранжевий колір – питомі втрати в магнітопроводі становлять від 8 до 12 Вт/кг. Відповідає магнітопроводу другого ступеню дефектності. При його використанні потребується суттєва зміна паспорту та перегляд режиму роботи. 4) Червоний колір – питомі втрати в магнітопроводі становлять більше 12 Вт/кг. Відповідає магнітопроводу аварійного стану. Рекомендується відбракувати магнітопровід. Наукова новизна одержаних результатів в дослідженні полягає у наступному: - Запропоновано індукційний метод контролю якості міжлистової ізоляції ламінованих магнітопроводів, який на відміну від існуючих, побудований на принципі порівняння реакції шляхів замикання вихрових струмів при наявності та відсутності дефектів на швидкоплинні процеси різної частоти в індукційно пов’язаних контурах збуджуючої та контрольної обмотки. - Вдосконалено чисельну польову математичну модель швидкоплинних процесів в шихтованому магнітному осерді, яка на відміну від існуючих враховує нелінійні властивості магнітних матеріалів та явище гістерезису при зміні частоти перемагнічування. - Вперше розроблено математичну модель, яка визначає зв’язок параметрів високочастотних процесів в випробуваних магнітних осердях з їх питомими втратами в змінних магнітних полях промислової частоти та індукціях, рекомендованих до нормативних випробувань та близьких до індукцій при роботі електричних машин. - Обґрунтовано нову методику визначення ступеня пошкодження міжлистової ізоляції шихтованих магнітопроводів електричних машин при наявності інтегральних і локальних дефектів з подальшими рекомендаціями до відбраківки магнітопроводів. - на базі побудованих математичних моделей теоретично обґрунтовано можливі діагностичні ознаки шихтованих магнітопроводів електричних машин, які орієнтовані на використання ударного вібраційного сигналу з одночасним електромагнітним комутаційним впливом. Отримані результати розкривають нові перспективи у вдосконаленні наявних методів діагностики міжлистової ізоляції в шихтованих магнітопроводах, сприяючи підвищенню надійності роботи електричних машин та збільшення терміну експлуатації.
  • ДокументВідкритий доступ
    Передавальний модуль пікосекундних імпульсів
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Козачук, Максим Андрійович; Найденко, Віктор Іванович
    Козачук М. А. Передавальний модуль пікосекундних імпульсів. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 «Телекомунікації та радіотехніка» (17 - Електроніка та телекомунікації). Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі розробки передавального модуля пікосекундних імпульсів для радара виявлення зброї, прихованої на тілі людини. Основна увага зосереджена на ключових складових такого передавального модуля, а саме, на потужному генераторі імпульсів протилежної полярності тривалістю порядка сотень пікосекунд з частотою повторення до 15 МГц і амплітудою порядка 10 В, та ультраширокосмуговій антені, здатній випромінювати такі імпульси. Дослідження виконано в рамках гранту НАТО G4992 «Long-range Stand-off Microwave Radar for Personnel Protection» за програмою НАТО «Наука заради миру та безпеки» (Science for Peace and Security, SPS). Запропоновано спосіб та схемотехнічні рішення генерації ультракоротких імпульсів Гауса протилежної полярності, які повторюються з заданою частотою. Запропоновано нову ультраширокосмугову планарну щілинну антену яка відрізняється від відомих планарних щілинних антен (класичної, антиподальної та балансної антиподальної антен Вівальді) оригінальною топологією та двосторонньою металізацією. Вперше проведено чисельне й експериментальне дослідження такої антени. Показано, що завдяки наявності дзеркальних площин симетрії в Е- і Н-площинах, запропонована антена має найнижчий рівень кросполяризаційного випромінення серед планарних щілинних антен. Антена може ефективно випромінювати сигнали в смузі частот 0,5 – 6,5 ГГц, при значенні КСХН менше 2. Завдяки сукупності позитивних конструктивних та електродинамічних якостей запропонована модифікована щілинна антена може стати альтернативою антенам Вівальді у спеціальних застосуваннях. Дисертація складається зі вступу та чотирьох розділів. Перший розділ містить огляд літератури за тематикою дисертації. В ньому розглянуто існуючі види трансмітерів для формування ультракоротких імпульсів. Наведено основні властивості та характеристики діода з накопиченням заряду SRD (step recovery diode). Проаналізовано схеми трансмітерів та можливості їх покращення. У другому розділі наведено результати електродинамічного моделювання, оптимізації характеристик та експериментального дослідження надширокосмугових (UWB) антен. Проведено пошук початкової топології UWB антени, адаптованої для задач даної роботи, та досліджено можливі шляхи покращення її характеристик. Основними змінами є перехід від традиційної схеми живлення антени Вівальді до живлення за допомогою щілинної лінії та додавання металізації по обидві сторони підкладки, чим досягнуто повну дзеркальну симетрію антени в Е- та Н-площинах та, як наслідок, мінімальний рівень кросполяризаційного випромінювання. Для електродинамічного моделювання та оптимізації характеристик запропонованої антени вибрано програмний пакет CST Studio Suite Learning – професійний інструмент, який дозволяє досліджувати на електродинамічному рівні всі характеристики, зокрема характеристика узгодження та випромінювання антени. При моделюванні та виготовленні використано матеріал Rogers AD450, який має низькі втрати та стабільні характеристики. Особливу увагу приділено живленню антени. Зміною ширини щілинної лінії досягнуто значення вхідного опору антени 50 Ом. Також додано перехід з симетричної лінії на несиметричну, що дозволило живити антену коаксіальним кабелем. Досліджено частотні залежності діаграми спрямованості (ДС) антени на основній поляризації та кросполяризації та її коефіцієнта стоячої хвилі за напругою (КСХН). Розглянуто різні конфігурації антени та їх вплив на досліджувані параметри. Зокрема, введено еліптичні вирізи та прорізи в металевих пелюстках антени для покращення узгодження на низьких частотах. Детально досліджено вплив розмірів вирізів та прорізів на КСХН. У третьому розділі розглянуто особливості створення та вимірювання характеристик розробленого генератора пікосекундних імпульсів. Головна частина дослідження включає розробку, виготовлення та експериментальне дослідження генератора імпульсів типу моноцикл Гауса та генератора різнополярних імпульсів Гауса, рознесених у часі. Одним із компонентів трансмітера є генератор тактової частоти. Він задає частоту повторення імпульсів. Побудований на мікросхемі МАХ038, яка живиться від двополярного джерела напруги +/–5 В. Ця мікросхема може генерувати імпульси різної форми, включаючи гармонічну, меандр та трикутник. Частота може змінюватися від 1 МГц до 15 МГц. В даному дослідженні використано меандрові імпульси з частотою 3,5 МГц. На першій схемі трансмітера вдалося досягти однакової амплітуди моноцикл імпульсів, яка від піку до піку дорівнює 4 В. Ширина негативного імпульсу сягає 120 пс, а позитивного 135 пс. Генератор може працювати з частотами від 1 МГц до 10 МГц. Рівень джитера незначний. Другий розроблений трансмітер генерує пікосекундні послідовності імпульсів Гауса з протилежною полярністю, що повторюються з заданою частотою. Амплітуди імпульсів протилежної полярності однакові, і сягають +/–5 В. Ширини позитивного і негативного імпульсу теж майже однакові, і дорівнюють (на серединному рівні за амплітудою) 133 пс і 143 пс відповідно. Частота генерації може змінюватися в межах від 5 МГц до 15 МГц. У розроблених трансмітерів такі параметри, як відстань між імпульсами, їх ширину та амплітуду можна регулювати під конкретні задачі за допомогою цифрових та аналогових пристроїв. Кожний із розроблених трансмітерів не потребує ніяких додаткових підключень, окрім напруги живлення. Обидва трансмітери побудовані на високочастотній тонкій діелектричній підкладці ROGERS AD 450. Перша плата має розміри 100 х 50 мм; на другій платі для компактності радіодеталі розміщувались на обох сторонах підкладки з розмірами 110 х 45 мм, а сама плата розміщена в екрануючий корпус з розмірами 65 х 125 х 30 мм. Загальна вага трансмітера становить 220 г. Окрім наведених результатів вимірювань характеристик розроблених генераторів, також надано інформацію по основних компонентах, матеріалах, схемах, які використані для забезпечення оптимальної роботи генераторів. Четвертий розділ розкриває тему застосування передавального модуля пікосекундних імпульсів у радарі для виявлення прихованоїзброї на тілі людини. Розглянуто загальні принципи побудови систем виявлення зброї, прихованої на тілі людини. Відзначено, що на сьогоднішній день існує декілька основних систем для виявлення зброї на тілі людини: сканер всього тіла, прохідний детектор, ручний металодетектор та радар виявлення прихованої зброї CWD (Concealed Weapon Detection). Розглянуто їх переваги та недоліки. Показано, що CWD радар потенційно дозволяє виявляти специфічні об'єкти, уникнувши виявлення звичайних предметів, які може мати людина. Це робить його менш схильним до помилкових спрацювань порівняно з іншими системами. Представлено результати експериментальних досліджень трьох варіантів розроблених антен для CWD радара. Показано, що вони добре працюють у потрібному робочому діапазоні частот 0,5–5 ГГц і здатні ефективно випромінювати ультракороткі імпульси тривалістю 120–150 пс, які створюються розробленим трансмітером. Ширина променя антени повинна бути широкою і водночас мати мінімальні бокові пелюстки. Через те, що в системі використовується передача та прийом відбитого сигналу на різних поляризаціях, то для більш точного виявлення зброї необхідно мати високий рівень розв’язки між ортогональними поляризаціями. Мінімально в CWD радарах використовується 2 антени, по одній на передачу та прийом. В наведеній схемі одночасно йде робота з двома ортогональними лінійними поляризаціями, тому використовується 4 антени, дві для передачі сигналу, та дві для прийому. Радар виконує повне поляриметричне вимірювання, де реєструються чотири типи сигналів: V-V, V-H, H-H і H-V. Тут перша літера позначає поляризацію переданої хвилі, що освітлює ціль (V для вертикальної та H для горизонтальної), а друга літера позначає поляризацію прийнятої хвилі, розсіяної ціллю. Таким чином, передаються та приймаються всі можливі комбінації поляризацій. CWD радар потенційно має певні переваги порівняно з іншими пристроями виявлення заборонених предметів, таких як зброя, вибухівка, заборонена електронна техніка, та може стати доповненням до вже існуючих систем. Передавальний модуль CWD радара здійснює швидкі сканування, що дозволяє швидко виявляти наявність зброї або інших небезпечних предметів та приймати рішення щодо відповідних дій. Хвиля, яку випромінює радар, проходить через тканину та шкіру, тому може виявляти заборонений предмет, який прихований під одягом, в речах, або навіть в тілі людини, що може бути важко зробити іншими методами. У CWD радарах передбачається використання принципу машинного навчання, тобто за допомогою адаптивного алгоритму він постійно вивчає своє середовище та адаптує обробку сигналів для оптимального виявлення загроз в цьому середовищі.
  • ДокументВідкритий доступ
    Моделювання і аналіз режимної надійності в підсистемах електроенергетичних систем в умовах каскадного розвитку відмов
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Бондаренко, Олександр Леонідович; Бардик, Євген Іванович
    Бондаренко О.Л. Моделювання і аналіз режимної надійності в підсистемах електроенергетичних систем в умовах каскадного розвитку відмов. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. У дисертаційній роботі вирішується задачі з розробки нових та удосконалення існуючих математичних моделей і методів діагностування технічного стану (визначення ресурсу працездатності) комутаційного обладнання енергосистем, моделювання підсистем електроенергетичних систем (ЕЕС) для оцінки режимної надійності при каскадному характері відмов в умовах невизначеності вихідної інформації. У першому розділі проаналізовано умови функціонування, особливості і стратегічні цілі сучасного етапу реформування вітчизняної електроенергетики, розглянуті проблеми і перспективи розвитку електромережевого комплексу України при існуючому прискореному старінні обладнання і наміченого переходу на платформу інтелектуальної енергетики. Встановлено, що з розвитком ринкових відносин в електроенергетиці України загострюється проблема забезпечення режимної надійності сучасних ЕЕС. Суттєвий вплив на надійність ЕЕС України в сучасних умовах визначають такі основні фактори: лібералізація енергетичної галузі, напружений режим роботи електрообладнання в умовах ринкових відносин; збільшення частки джерел розосередженої генерації; зростання зносу і низькі темпи оновлення основних фондів; особливо суттєве підвищення вірогідності зовнішніх терористичних атак на об’єкти енергетики. Зазначені фактори сприяють зростанню інтенсивності аварійних ситуацій, які виникають при відмовах електрообладнання, що призводить до порушення динамічної стійкості енергосистем та вузлів навантаження ЕЕС за напругою, каскадному розвитку аварій і, як наслідок, до порушення технологічних процесів підприємств-споживачів та АЕС зі значними збитками. Це підтверджується виникненням за останні десятиріччя низки важких системних аварій в ЕЕС Північної Америки, Західної Європи, України. В цих об’єктивно існуючих умовах функціонування ЕЕС України забезпечення режимної надійності при відмовах електрообладнання є однією з найважливіших задач. Тому розробка нових і удосконалення існуючих математичних моделей для оцінки технічного стану електрообладнання та моделювання підсистем ЕЕС для оцінки режимної надійності при каскадному характері відмов в умовах невизначеності вихідної інформації є актуальною задачею. Наведено загальну характеристику стану та технологічних порушень силового і комутаційного обладнання, повітряних ліній енергосистем. Аналіз статистики відмов силового і комутаційного електрообладнання ЕЕС та ПЛ показав, що існує значна частка обладнання з великим терміном напрацювання, що підвищує ймовірність їх відмови. Встановлено, що комутаційні апарати мають значний відсоток відмов, і суттєвий вплив на надійність енергосистеми, що потребує забезпечення безперервного моніторингу параметрів технічного стану, визначення ресурсу працездатності та прогнозування ризику відмов. В цілях пошуку перспективних напрямків вирішення зазначеної проблеми виконаний аналіз методів і моделей оцінки технічного стану, ресурсу працездатності та ймовірності відмови високовольтних вимикачів енергосистеми та обґрунтовано необхідність використання сучасних інформаційних технологій для вирішення цих задач. Представлено характеристики методів оцінки ймовірності виникнення аварійних ситуацій в ЕЕС при відмовах та виведенні з експлуатації електрообладнанні, зокрема дослідження режимної надійності з використанням критерію «n – 1». Виходячи з того, що в останні десятиріччя для прийняття ефективних рішень щодо стратегії управління режимами ЕЕС в промислово розвинених країнах використовують стратегію ризик-менеджменту обґрунтовано застосування в якості показника для оцінки режимної надійності ЕЕС використовувати показник ризику. Застосування даної стратегії дозволяє провести комплексний аналіз причинно-наслідкових зв’язків між технічним станом електрообладнання та аварійними режимами ЕЕС, а також отримати інтегральний показник функціонування ЕЕС на всій множині аварійних ситуацій внаслідок відмов електрообладнання. У другому розділі представлена характеристика режимів порушення нормального режиму в підсистемі ЕЕС при відмовах окремих елементів. Встановлено головні фактори, наявність яких призводить до збільшення кількості аварійних ситуацій в ЕЕС, а саме: лібералізація відносин в електроенергетиці; децентралізацією електропостачання в зв’язку з розширенням використання джерел розосередженої генерації; об’єднанням на сумісну роботу різних ЕЕС з формуванням міжрегіональних та міждержавних енергооб’єднань; значне фізичне і моральне зношення фонду електрообладнання. Обґрунтована необхідність розробки моделей оцінки технічного стану, ресурсу та ймовірності відмови електрообладнання в задачах аналізу режимної надійності, зокрема високовольтних вимикачів. Визначено і обґрунтовано метод щодо побудови комплексної математичної моделі оцінки технічного стану високовольтних вимикачів на основі інтелектуального аналізу даних, отриманих в режимах Online і Offline. Розроблена ієрархічна структурна схема нечіткого логічного висновку отримання агрегованої оцінки технічного стану елегазового вимикача за параметрами отриманими в режимах Online та Offline з урахуванням рівня важливості визначальних параметрів і функціональних вузлів. Визначення послідовності заміни або планового чи позапланового виведення з експлуатації для проведення ремонту комутаційного обладнання ЕЕС відноситься до класу задач багатокритеріального вибору альтернатив в умовах невизначеності інформації. Для визначення пріоритету виведення з експлуатації комутаційного обладнання за результатами оцінки технічного стану запропоновано методи багатокритеріального вибору альтернатив. Встановлено, що підхід для оцінки режимної надійності на практиці ґрунтується на використанні критерію «n – 1», є детерміністичним, не враховує ймовірність появи подій та не дає кількісної характеристики надійності ЕЕС. Показано, що найбільш прийнятним альтернативним методом оцінки ймовірнісної складової ризику для ЕЕС із складністю структури та значним рівнем зношеності електрообладнання є використання методів статистичного моделювання, за яких виконуються обчислювальні експерименти з імітаційними математичними моделями поведінки складних випадкових процесів та реальних об'єктів, які піддаються випадковим збуренням. Обґрунтовано доцільність і ефективність застосування методу ймовірнісностатистичного моделювання для визначення ризику порушення нормального режиму в підсистемах ЕЕС при виведенні з експлуатації високовольтних вимикачів та дослідження режимної надійності ЕЕС в умовах каскадного розвитку відмов. У третьому розділі запропонована комплексна лінгвістична математична модель елегазового вимикача для визначення ресурсу працездатності та ймовірності відмови. Завдання комплексної оцінки технічного стану високовольтних вимикачів належить до категорії погано формалізованих і слабо структурованих задач внаслідок наявності різнорідної вхідної інформації (кількісні і якісні значення змінних), неповноти інформації, різночасності вимірювань параметрів об’єкта; невизначеності, яка зумовлена неможливістю адекватного математичного опису процесів внаслідок вимірювань змінних стану; недостатності ретроспективних даних про експлуатацію вимикачів та інші. Ці об’єктивно існуючі умови функціонування вимикачів енергосистем викликають необхідність використання таких моделей вимикачів, в яких можна подати в єдиній формі різнорідну інформацію по об’єкт, включаючи і суб’єктивну інформацію експертів. Для поєднання результатів різних методів вимірювання в режимах Online та Offline моніторингу вимикача для правильної оцінки технічного стану важливо використати методи штучного інтелекту, зокрема нечітку логіку. На основі всіх існуючих даних моніторингу вимикача нечітким моделюванням можна отримати більш повну і об’єктивну картину стану вимикача та визначити ймовірність відмови. Зазвичай дуже складно створити нечітку експертно-діагностичну систему для оцінки технічного стану вимикача з великою кількістю вхідних даних і сформувати відповідну базу знань. Тому вирішення завдання комплексної оцінки технічного стану високовольтного вимикача передбачає створення нечітких експертних підсистем для основних функціональних вузлів, таких як контактна система, дугогасна камера та механізм приводу (моторний механізм). Центральним елементом є база правил та механізм нечіткого висновку. Для вирішення задач аналізу режимної надійності методами теорії ризику створено: комплексні лінгвістична математичні моделі елегазового вимикача для визначення ресурсу працездатності та ймовірності відмови, які ґрунтуються на використанні інформації щодо параметрів технічного стану, отриманих в режимі тільки в режимі Online або в режимах Online та Offline. Запропоновані лінгвістичні математична моделі високовольтних вимикачів дозволяють визначити ймовірності відмови на найближчий термін спостереження та оцінювати ризик порушення нормального режиму та визначати показники режимної надійності в складних ЕЕС при виведенні з експлуатації високовольтних вимикачів. Для окремих типів високовольтних вимикачів для яких можливо сформувати функції розподілу ймовірності відмови за статистичними даними по відмовам з урахуванням індивідуальних характеристик запропоновано метод визначення ймовірності відмови на інтервалі спостереження. У четвертому розділі розглянуто методи і математичні моделі для аналізу ризику в підсистемі ЕЕС в умовах каскадного процесу розвитку аварії. Проаналізовано найбільш важливі фактори, які спричиняють каскадний розвиток аварій в ЕЕС. Встановлено, що наразі об’єктивно існує невідповідність між зміненням структурних властивостей сучасних потужних електричних систем, що визначає змінення умов функціонування і динамічних властивостей з одного боку, і старими принципами і засобами управління з іншого. Нарощування такої невідповідності призводить до виникнення «слабких місць» в енергосистемі, погіршенню її керованості, зниженню надійності і ефективності функціонування. Вирішення цих протиріч потребує удосконалення принципів і систем керування, перш за все систем протиаварійного керування, а також розробки і реалізації принципів превентивного керування електрообладнанням і ЕЕС в цілому. На основі поглибленого аналізу причин виникнення ланцюгів подій, які визначальним чином впливають на виникнення і розвиток аварійної ситуації виявлено основні механізми розвитку великих системних аварій та побудована узагальнена схема розвитку аварії в ЕЕС. З урахуванням ймовірнісного характеру відмов основного силового і комутаційного обладнання, відмови РЗ та ПАА, а також помилок диспетчерського і оперативного персоналу визначено вимого до математичних моделей оцінки режимної надійності ЕЕС при каскадному сценарії розвитку аварії. Враховуючи значний рівень невизначеності інформації щодо ймовірності станів та ступеню важкості наслідків в процесі розвитку каскадної аварії розроблена комплексна нечітка модель оцінки ризику розвитку каскадних відмов в підсистемі ЕЕС. У п’ятому розділі вирішується задача моделювання і дослідження режимної надійності підсистем ЕЕС при відмовах і виведенні з експлуатації комутаційного обладнання і каскадному розвитку відмов. Отримати достовірну оцінку кількісних параметрів режимної надійності ЕЕС при відмовах електрообладнання можливо тільки за наявності адекватних моделей оцінки технічного стану та визначення ймовірності відмови об’єкта в тому числі і комутаційного обладнання. Наразі отримати єдину універсальну математичну модель комплексної визначення ресурсу працездатності високовольтних вимикачів не є можливим внаслідок перш за все неповноти і невизначеності вихідної інформації. Для вирішення цих проблем розроблено і досліджено декілька типів моделей визначення ресурсу та ймовірності відмови вимикачів: математична модель, яка зорієнтована на ін формацію отриману без відключення від мережі; математична модель, яка зорієнтована на інформацію Online та Offline моніторингу вимикача; математична модель, що використовує сформовані функції розподілу ймовірності відмови за статистичними даними по відмовам з урахуванням індивідуальних характеристик. Порівняння результатів моделювання за розробленими моделями і моделями інших відомих розробників виявило невелике відхилення, що підтверджує правильність результатів моделювання. Враховуючи об’єктивно існуюче спрацювання ресурсу працездатності вимикачів виникає задача оптимального рішення виводу з експлуатації за критеріями на основі методу оптимізації Парето та ймовірнісно-статистичного моделювання для оцінки ризику виникнення аварійної ситуації в ЕЕС методом Монте-Карло. Такий спосіб дозволив забезпечити адаптацію моделі реальним умовам експлуатації високовольтних вимикачів. Запропоновані математична модель та алгоритм дозволяють визначати обґрунтоване найефективніше превентивне рішення щодо черговості виведення з експлуатації високовольтних вимикачів на основі оцінки ризику порушення нормального режиму в ЕЕС. Це дозволяє на основі оцінки ризику експлуатації високовольтних вимикачів на найближчий термін спостереження визначати ризик порушення нормального режиму в підсистемах ЕЕС при виведенні з експлуатації високовольтних вимикачів. Результати роботи впроваджено: в ТОВ «Науково-виробниче підприємство «Укренергоналадкавимірювання» та в освітній процес у Київському політехнічному інституті імені Ігоря Сікорського для вдосконалення лекційних курсів дисциплін «Інтелектуальні системи діагностики електрообладнання та прийняття рішень» і «Моделі технічного стану і режимів електрообладнання електричних станцій» та також при виконані кваліфікаційних та науково-дослідних робіт магістрів кафедри відновлюваних джерел енергії факультету електроенерготехніки та автоматики КПІ ім. Ігоря Сікорського.
  • ДокументВідкритий доступ
    Автоматизація процесів керування термічною обробкою вуглецевих матеріалів
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Жученко, Людмила Костянтинівна; Волощук, Володимир Анатолійович
    Жученко Л. К. Автоматизація процесів керування термічною обробкою вуглецевих матеріалів - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. Сьогодні роботу підприємств таких визначальних для народного господарства України галузей промисловості як кольорова та чорна металургія, хімічна промисловість, машинобудування та інші, там, де технологія виробництва нерозривно пов'язана з необхідністю використання електротермічних процесів, неможливо уявити без продукції вуглеграфітового виробництва. Сучасні світові тенденції розвитку названих галузей промисловості характеризуються постійним нарощування обсягів виробництва графітованих вуглецевих виробів. Графіт часто використовується як футеровочний матеріал в доменних та феросплавних печах, атомній промисловості. Алюмінієве виробництво є найбільшим споживачем графітованих виробів. Відомо, що саме виробництво вуглецевих виробів характеризується значними ресурсними та енергетичними затратами. Звідси, підвищення ефективності виробництва вуглецевих виробів є науково-практичним завданням. Це актуально особливо в сучасних умовах, коли спостерігається зростання вартості енергоносіїв на постійній основі. Виробництво вуглеграфітової продукції є складним та багатостадійним. Одними з визначальних стадій даного виробництва, на яких у значній мірі формуються остаточні властивості кінцевої продукції, є технологічні процеси формування та випалювання вуглецевих виробів. На ці технологічні процеси припадає біля 40 відсотків енергозатрат всього виробництва. Одним із шляхів підвищення ефективності технологічних процесів формування та випалювання вуглецевих виробів є створення сучасних систем керування даними процесами. На жаль, існуючі сьогодні на виробництві системи керування не відповідають поставленим задачам підвищення ефективності. Звідси, стоїть питання удосконалення існуючих систем керування, в іншому випадку – розроблення нових. Виходячи з цього, постає актуальна науково-практична задача створення комп’ютерних систем оптимального керування технологічними процесами формування та випалювання вуглеграфітового виробництва, які б відповідали сучасним вимогам ресурсо- та енергозбереження. Представлений короткий опис технологічного комплексу вуглеграфітового виробництва, на підставі аналізу якого виділені об’єкти дослідження – технологічні процеси формування та випалювання. Вибір саме цих процесів обумовлений, по-перше, їх визначальним значенням у формуванні остаточних властивостей кінцевої продукції і, по-друге, їх суттєвою енергоємністю. Проведений аналіз технологічних особливостей процесів формування та випалювання вуглецевих виробів, а також конструктивних особливостей технологічних апаратів, де названі вище процеси відбуваються. Досліджений асортимент вуглеграфітової продукції та показники її якості на прикладі ПрАТ «Укрграфіт», в результаті якого визначені основні показники, які фактично формують ринкову вартість готової продукції і тому саме вони мають бути забезпечені енергоефективними технологічними режимами виробництва в першу чергу. Енергоємність кожної кампанії випалювання визначається перш за все тривалістю останньої. У зв’язку з цим запропонований показник, який може бути використаний у системі керування процесом для визначення його оптимальної тривалості. Проведений аналіз існуючих систем керування процесом формування вуглецевих виробів, а також споріднених процесів показав, що питанням відмовостійкості систем керування даним процесом у вітчизняних дослідженнях зовсім не приділялося уваги, хоча це питання є доволі актуальним. У зв’язку з цим у роботі запропонована відмовостійка система керування процесом формування вуглецевих виробів. На відміну від традиційних відмовостійких систем, дана система враховує циклічний характер технологічного процесу формування шляхом застосування керування з ітеративним навчанням. Проведено оптимальне налаштування системи керування та досліджено її ефективність. Як свідчать усі літературні джерела, а також практика виробництва основним технологічним режимом, який визначає всі техніко-економічні показники процесу випалювання, є тепловий режим. Саме тому дослідженню теплових режимів процесу випалювання з точки зору побудови системи керування ним приділена особлива увага. Метод математичного моделювання застосовується як фактично безальтернативний метод проведення даного дослідження. Враховуючи, що єдиним ефективним керуванням процесу випалювання є витрати палива у «камері під вогнем», саме ця камера була об’єктом дослідження теплових режимів. Результати дослідження показали, що камеру можно умовно поділити на три температурні зони: гарячу, підсклепінчату та холодну. Причому, що принципово важливо для синтезу системи керування, ці зони не мігрують у залежності від типу завантаження камери. Особливу увагу приділено дослідженню впливу витрати палива на теплові режими камери. Важливим висновком є те, що при збільшенні витрати палива зростає перепад температур у заготовках, що може призвести до браку продукції. Особливо небезпечним це є для заготовок, розташованих у «гарячій» зоні печі на початковому етапі кампанії випалювання. «Холодна» зона печі має найнижчі температури. Це означає, що саме на заготовки, розташовані у цій зоні треба орієнтуватись при визначенні оптимальної тривалості процесу випалювання. Важливим результатом проведеного дослідження є висновок про те, що температура пересипки практично не відрізняється від температури заготовки, що знаходиться поруч. Це надає можливість контролювати температуру заготовки за температурою пересипки, яка на відміну від температури безпосередньо заготовки може бути виміряна. За результатами проведеного аналізу існуючих систем керування процесом випалювання вуглецевих виробів виявлені недоліки останніх і сформульоване завдання створення нової системи керування процесом з метою підвищення його ресурсо- та енергоефективності. Запропонована система програмного керування процесом випалювання, досліджено вплив тривалості процесу та параметрів налаштування ЛКрегулятора на техніко-економічні показники виробництва та показники якості готової продукції. З метою усунення недоліків системи програмного керування розроблена система керування процесом випалювання реального часу, в якій для визначення температур заготовок у характерних точках вимірюються поточні температури у відповідних точках пересипки.
  • ДокументВідкритий доступ
    Методи та засоби математичного моделювання руху рідин з використанням машинного навчання
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Кузьмич, Валентин Анатолійович; Новотарський, Михайло Анатолійович
    Кузьмич В.А. Методи та засоби математичного моделювання руху рідин з використанням машинного навчання. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 123 – Комп’ютерна інженерія з галузі знань 12 – Інформаційні технології. – Національний Технічний Університет України «Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена розробці дворівневого методу моделювання руху рідин на основі решітчастої моделі Больцмана та згорткової нейронної мережі, що дозволяє точно і ефективно моделювати рух нестисливих рідин. Решітчаста модель Больцмана - це математичний інструмент, який знаходить широке застосування в чисельному моделюванні руху газів та рідин. Вона ґрунтується на статистичних принципах та дозволяє моделювати рух частинок в рідині на основі їхньої взаємодії через взаємодію з іншими частинками та перешкодами. Решітчаста модель Больцмана дозволяє враховувати мікроскопічні взаємодії частинок та отримувати макроскопічні властивості рідини, такі як тиск, температура та швидкість. Машинне навчання - це область науки використовує алгоритми та моделі, які дозволяють комп'ютерам навчатися на даних та робити прогнози або приймати рішення без явного програмування. У контексті дослідження руху рідини, машинне навчання може бути використане для аналізу великих обсягів даних та побудови прогностичних моделей. Згорткові нейронні мережі є одним з типів моделей машинного навчання, які знайшли широке застосування в різних практичних сферах діяльності, таких як обробці зображень, включаючи аналіз руху рідини. Вони імітують спосіб, яким працює візуальний кортекс у людей, дозволяючи автоматично визначати особливості та закономірності в даних. Згорткові нейронні мережі здатні виявляти взаємозв'язки між частинами зображень та ефективно використовувати цю інформацію для розв'язання завдань, пов'язаних із рухом рідини. Поєднання обчислювальної гідромеханіки і машинного навчання відіграє ключову роль у вирішенні актуальних проблем і завдань в багатьох галузях науки та техніки. В різних наукових та технологічних сферах людської діяльності існують величезні вимоги до точності та ефективності моделювання руху рідин, особливо в важливих галузях, таких як аеродинаміка, морська гідродинаміка, автомобільна і космічна інженерія, біомедицина і багато інших. Розуміння та передбачення поведінки рідини є важливим елементом для оптимізації дизайну, підвищення продуктивності і зменшення витрат в цих галузях. Використання решітчастої моделі Больцмана у поєднанні з машинним навчанням відкриває нові можливості для точного та швидкого моделювання руху рідин. Такий підхід дозволяє знижувати обчислювальну складність та споживання ресурсів, що є критичним для великих і складних задач гідродинаміки. Особливо важливим є використання машинного навчання для автоматичного аналізу великих обсягів даних, отриманих під час моделювання, і для здатності виділяти з них ключові закономірності, які можуть бути важливими для подальшого удосконалення моделі. Запропоновано дворівневий метод моделювання руху рідини за допомогою решітчастої моделі Больцмана і згорткової нейронної мережі, що використовується для уточнення значень поля швидкостей на основі вирішення крайової задачі на основі рівняння Пуассона, який відрізняється від відомих методів тим, що зменшує час моделювання. Набув подальшого розвитку метод решітчастої моделі Больцмана за рахунок методу розпаралелювання на основі підходу domain decomposition та використання модифікованої рівноважної функції розподілу на основі мінімізації дискретної ентропії, яка відрізняється від відомих методів кращою безумовною лінійною стабільністю моделювання. Набув подальшого розвитку метод моделювання розв’язку крайової задачі на основі рівняння Пуассона для тиску, значення якого використовуються для корекції поля швидкості при моделюванні нестисливих рідин, на основі модифікованої нейронної мережі, що враховує геометрію обчислювального простору, який відрізняється від відомих методів можливістю обробки складних обчислювальних областей та обчислювальною швидкістю. Запропоновано адаптацію дворівневого методу моделювання руху рідини для використання на спеціальному обчислювальному пристрої, яка відрізняється тим, що забезпечує зменшення кількості обчислень для розробленої нейронної мережі при моделюванні розв’язку крайової задачі на основі рівняння Пуассона для тиску. У першому розділі здійснено огляд наукової літератури по тематиці досліджень. Розглянуті та описати основні типи методів моделювання руху рідин. Було виділено три основні типи підходів до моделювання руху рідин: методи моделювання на основі рівняння Нав'є-Стокса, методи LBM та методи машинного навчання. Був описаний їх загальний історичний розвиток, наведено загальні переваги та недоліки цих типів методів. Також окремо було розглянута література про методи розв'язання рівняння Пуассона, яке є важливою складовою в кожному з трьох згаданих вище підходах. Завдяки аналізу результатів першого розділу була сформована задача дисертаційного дослідження: розробка дворівневого методу моделювання руху потоку рідини, за допомогою методу LBM та машинного навчання. В другому розділі описується метод решітчастої моделі Больцмана: його місце в контексті рівнів абстракції опису рідини, теоретичне обгрунтування можливості застосування методу LBM для моделювання руху рідин та зв’язок між рівнянням Больцмана на рівнянням Нав’є-Стокса. Розглянуті та описані найбільш поширені чисельні схеми. Описані механізми задання початкових та граничних умов, що використовуються в методі LBM. Були розглянуті особливості задання притоку та витоку рідини, умови зворотного відображення, що моделює взаємодію потоку рідини з твердим тілом. Була описана модифікована рівноважна функція розподілу на основі мінімізації дискретної ентропії, що дозволяє досягти безумовну лінійну стабільність моделювання. Обгрунтовано необхідність уточнення поля швидкості за допомогою рівняння Пуассона для тиску під час моделювання руху нестисливих рідин методом LBM. В третьому розділі дисертації було досліджено особливості використання нейронних мереж для моделювання розв’язку крайової задачі на основі рівняння Пуассона. Оскільки нейронні мережі можуть задавати набагато складніші функції джерела, ніж традиційні аналітичні або чисельні методи, а також через чисельну ефективність нейронних мереж, Використання нейронних мереж для моделювання розв’язку рівняння Пуассона є обіцяючим підходом. Також були розглянуті ітераційні чисельні методи вирішення систем алгебраїчних рівнянь, які традиційно використовуються для моделювання розв’язку рівняння Пуассона. Доцільне їх використання для генерації навчального та тестового датасетів для нейронної мережі. Були розглянуті різні шари штучних нейронних мереж та функції активацій, які використовуються для досягнення бажаних результатів. Приведений загальний огляд процесу вирішення диференціальних рівнянь за допомогою штучних нейронних мереж. В четвертому розділі був розроблений дворівневий метод моделювання руху рідини за допомогою решітчастої моделі Больцмана та згорткової нейронної мережі. Була описана структура нейронної мережі для моделювання розв’язку крайової задачі на основі рівняння Пуассона, особливості генерації тренувального датасету для нейронної мережі, розглянуті особливості приведення результатів роботи нейронної мережі до значень тиску, який використовується для корекції значень поля швидкості в методі LBM. Детально описаний алгоритм дворівневого методу моделювання руху рідини, що складається з методу LBM, який використовує модифіковану рівноважну функцію розподілу, та з розробленої згорткової нейронної мережі для моделювання розв’язку крайової задачі на основі рівняння Пуассона. Розроблений масштабований паралельний алгоритм для дворівневого методу на основі підходу domain decomposition. Розглянуті види апаратних прискорювачів для штучних нейронних мереж. На основі їх переваг і недоліків, нейронна мережа була оптимізована під обраний прискорювач NPU. Для тестування розробленого методу було розроблене тестове програмне забезпечення для моделювання руху рідин в довільних обчислювальних просторах розміру 96 × 96, з можливістю зміни параметрів моделювання. В п’ятому розділі був проведений аналіз результатів моделювання руху рідин з допомогою розробленого дворівневого методу, який був реалізований в тестовому програмному забезпеченні. Результати експериментів підтвердили здатність розробленого дворівневого методу забезпечувати нестисливість рідини, в порівнянні зі звичайним методом LBM. Була досліджена точність нейронної мережі в порівнянні з чисельним методом. Була показана взаємна відповідність між ними. Були досліджені обчислювальна швидкість розробленого методу та вплив використання різних апаратних прискорювачів на швидкість обчислень. Дворівневий метод показав більш ніж у 6 разів кращу ефективність, ніж чисельний метод, при використанні GPU, та у 13 разів кращу ефективність, при використанні NPU. Розроблений метод дозволяє точно і ефективно моделювати рух нестисливих рідин та використовувати різні типи апаратних прискорювачів для збільшення швидкості обчислень згорткової нейронної мережі. Це має практичне значення для різних областей наукової та технічної діяльності, зокрема біомедична інженерія, моделювання руху рідин в гідротехнічних конструкціях.
  • ДокументВідкритий доступ
    Зниження термічних напружень і підвищення терміну служби елементів енергетичного обладнання шляхом використання стабілізаторних пальників
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Мороз, Олег Сергійович; Черноусенко, Ольга Юріївна
    Мороз О.С. Зниження термічних напружень і підвищення терміну служби елементів енергетичного обладнання шляхом використання стабілізаторних пальників. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 – Теплоенергетика. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присв′ячена дослідженню впливу змінного в просторі і часі високотемпературного поля продуктів згоряння в топковому просторі на характеристики міцності, напружено-деформований стану, мало цикловій втомленості, пошкодження енергетичного обладнання, а також підвищенню ефективності та надійності елементів, які мають високу температуру, шляхом використання нових схем і конструкцій пальникових пристроїв, які також дозволяють використовувати альтернативні види газових палив. В роботі показана актуальність теми, яка пов′язана з тим, що значна кількість енергетичних та промислових об′єктів – котлів, печей, підігрівачів, сушил, газотурбінних установок тощо, які використовуються в енергетиці та промисловості України, характеризується значною моральною та фізичною зношеністю, вимагає ремонту і покращення ефективності роботи. . В економічних умовах нашої країні модернізація установок є найбільш реальним шляхом підвищення їх ефективності при мінімальних затратах. За розрахунками, сума вкладень, що дають можливість продовження експлуатації, в 3–5 разів менше, чим введення в дію нових потужностей. Певним умовам експлуатації обладнання повинна відповідати найбільш ефективна схема організації паливного процесу в топці. Виконано огляд роботоспроможності металів при високих температурах, надійність роботи, проаналізовано характеристики міцності металу при високих температурах і робота в нестаціонарних температурних умовах, в тому числі в умовах температурної нерівномірності. Розглянуті основні джерела температурної нерівномірності в енергетичному обладнанні. З проведеного огляду матеріалів щодо умов роботи високотемпературних елементів енергетичного та промислового устаткування зроблені висновки і розроблені завдання по проведенню відповідних досліджень з метою аналізу стану обладнання та заходів щодо підвищення його надійності та ефективності. На даний час існуючі методи, які пов'язані з визначенням термічних напружень в високотемпературних елементах енергетичного обладнання, вимагають проведення тривалих випробувань. З урахуванням досягнень сучасних комп'ютерних технологій з'явилась можливість виконання відповідних досліджень за значно коротший термін, з меншими затратами і з використанням мінімальної кількості дослідних даних. Враховуючи визначальну роль пальникових пристроїв на характеристики поля температур газів в топковому просторі одним з напрямків пріоритетних завдань роботи визначено розробку пальникових пристроїв, які дозволяють впливати на формування температури газів з метою зменшення нерівномірності поля температур і, таким чином, зниження термічної напруженості високотемпературних елементів. Перспективним напрямком є використання пальникових пристроїв стабілізаторного типу. Експериментальні дослідження виконувались з використанням обладнання кафедри ТАЕ і відповідної вимірювальної апаратури. Розглянуто фактори, які впливають на термонапружений стан високотемпературного обладнання і запропонована методика розрахунку залишкового ресурсу високотемпературних елементів. Для дослідження теплового стану трубопроводів котла виконувалась побудова 3D просторового аналога топкового простору котлоагрегату. Виконане моделювання і аналіз допомогли запобігти дорогим і тривалим експериментам. Були послідовно виконані гідрогазодинамічний розрахунок і вибрана модель турбулентності. Розрахунки виконувались з використанням програмного комплексу ANSYS Fluent. Перед початком розрахунків в ANSYS Fluent була визначена прийнята модель турбулентності. Для цього перед проведенням гідродинамічних розрахунків були проаналізовані декілька моделей турбулентних течій. В даній роботі була використана модель k-ε Realizable. Безпосередньою перевагою реалізованої моделі k-ε є те, що вона забезпечує покращені прогнози щодо швидкості поширення як плоских, так і круглих струменів. При теплових розрахунках були визначені гранічні умови. Була проаналізована газодинамічна та теплова структура потоку в стабілізаторних пальникових пристроях і виконані розрахункові дослідження теплового стану патрубку. На наступному етапі були проведені розрахункові дослідження напружено-деформованого стану трубопроводу. Оцінка малоциклової втомленості та статичної пошкоджуваності виконувались з урахуванням нестаціонарного напружено-деформованого стану. Отримані температури використовувались для розрахунку кількості циклів до руйнування. На основі максимального напруження за встановлений період часу у відповідних точках розраховується температура металу. Користуючись розробленою методикою, на підставі замірених або розрахованих температур, можна орієнтовно розрахувати термонапружений стан енергетичного обладнання і термін експлуатації до руйнування. Створена комп’ютерна модель дозволила гнучко змінювати і отримати відповідне поле температур перед патрубком. Результати проведених досліджень можуть бути використані при реалізації розроблених рекомендацій у великій і малій українській енергетичній, промисловій і газотранспортній системі, а також в інших галузях науки і техніки. Розглянуті особливості роботи і зміни параметрів газового потоку при мікродифузійному спалюванні газу в системі стабілізаторів. При аналізі зміни параметрів робочого процесу – швидкості потоку, концентрації, повноти згоряння, температури газів були проведені випробування систем стабілізаторів, Розглянуто питання формування поля швидкості ізотермічного потоку в системі стабілізаторів, а також Зміна швидкості потоку, коефіцієнту надлишку повітря і повноти згоряння в системі стабілізаторів при горінні. На наступному етапі увага приділялась визначенню закономірності формування поля температур продуктів згоряння в стабілізаторному пальниковому пристрої в поперечному перерізі стабілізаторного пальника і вздовж стабілізатора, а також комбінований вплив на зміну поля температур газів в топці. Показано,що довжина вогневого простору, на якій відбувається вирівнювання поля швидкостей, поля температур і компонентів реакції горіння у поперечному перерізі залежить від коефіцієнту затінення і коефіцієнту надлишку повітря. В мікрофакельних стабілізаторних пальниках є можливість впливати на профіль температури газів в повздовжньому і поперечному перерізах конструктивними засобами – зміною кроку стабілізаторів та їх ширини, зміною (або прикриттям) подачі газу на окремі стабілізатори, відносним зміщенням стабілізаторів вздовж і поперек потоку. Встановлено, що характер формування температури газу і інтенсивність горіння палива залежить від відносного кроку газових отворів вздовж висоти стабілізатора. При tг/dг < 7,0 зменшується інтенсивність процесів масообміну в струменях і відбувається зниження інтенсивності процесу вигоряння палива з можливим недопалом в кінці топкового простору. З метою розширення використання альтернативних газів в енергетиці і промисловості були розроблені і дослідженні мікрофакельні стабілізаторні пальники для спалювання забаластованих газових палив. Альтернативні види палив, як правило, складаються з суміші високореакційного газу типу метану, і баластових домішок - повітря, двоокису вуглецю, азоту, біодобавок тощо, які, як правило, погіршують характеристики горіння паливного газу, причому відбувається це тим в більшій мірі, чим вище вміст баластової домішки в паливі. Це породжує певні труднощі практичного використання забаластованих газів як палива, до яких додаються ще дві обставини: гази різних видів і різних родовищ мають різний вміст баласту; у багатьох випадках склад газів може змінюватися в часі; газобаластова суміш може виходити за концентраційні межі горіння. Це робить неможливим спалювання газобаластових сумішей за традиційними технологіями і пальниковими пристроями. Показано, що перспективним методом вирішення проблеми спалювання низькокалорійних альтернативних палив, склад яких виходить за концентраційні межі горіння, є застосування комбінованої подачі палив, при якому низькокалорійне паливо підпалюється високотемпературними стабілізуючими факелами. Розроблено метод і конструкції стабілізаторних пальникових пристроїв, які забезпечують підвищення сталості горіння забаластованого палива при концентрації домішок від 0 % до 100 % (відсутність палива - подача баласту). Для цього прийнята комбінована технологія подачі палив, при якій струмені низькореакційного палива проходять через високо температурні факели і відбувається сталий процес горіння обох палив незалежно від концентрації домішки з забаластованому паливі. Потужність пальника підтримується за рахунок збільшення витрати палива, яке подається на стабілізуючий факел. Сталість і довжина загального факелу визначається характеристиками запалюючого факелу Розроблено три варіанти модулей стабілізаторних пальників з різними схемами подачі альтернативного і стабілізуючого палив. Розроблено і досліджено двонішевий пальниковий пристрій, в якому, практично без зміни конструкції є можливість регулювати характеристики сталості і довжини факелу в залежності від умов роботи енергетичного об′єкту. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що . - вперше за допомогою комплексу ANSYS Fluent розроблена програма визначення термічного і термо-напруженого стану високотемпературних елементів енергетичного обладнання; - розроблена програма розрахункової оцінки терміну експлуатації високотемпературних елементів в стаціонарних і змінних режимах; - доповнені експериментальні дані і уточнені залежності щодо вирівнювання характеристик газового потоку в топковому просторі при використанні стабілізаторних пальників; - показана можливість регулювання поля температур газів в топковому просторі зміною конструктивних параметрів стабілізаторних пальників; - вперше запропонована технологія спалювання забаластованих низько реакційних газових палив в стабілізаторних пальниках; - вперше розроблено і досліджено моделі стабілізаторних пальників для спалювання альтернативних низько реакційних газових палив; - отримані експериментальні дані та одержані узагальнюючі залежності стосовно характеристик робочого процесу горіння газів різного складу, який може суттєво змінюватись під час роботи.
  • ДокументВідкритий доступ
    Адаптивне крило з роторним рушієм
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Комаров, Богдан Глібович; Зінченко, Д. М.
    Комаров Б.Г. Адаптивне крило з роторним рушієм. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 134 – Авіаційна та ракетно-космічна техніка. – Навчально-науковий інститут аерокосмічних технологій, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена дослідженню та створенню пропульсивних силових установок, а саме конструкції крила та фюзеляжу з використанням роторного рушія. В роботі розглянуто історію впровадження тангенціальних вентиляторів в авіації в якості роторних рушіїв. Вченими значна увага приділялася конструкціям крил з роторними силовими установками, а саме двом типам – “Propulsive-Wing” та “Fan-Wing”. "Propulsive-Wing" включає в себе інтеграцію роторних вентиляторів в крило літака, що дозволяє покращити аеродинамічні характеристики та знизити опір повітря. З іншого боку, "Fan-Wing" використовує конструкцію з вентиляторами більшого діаметру, та аналогічно великого видовження, розташованих в передній частині вздовж розмаху крила літака, що дозволяє отримувати більші значення сили тяги з кожного вату потужності у порівнянні з використанням традиційних силових установок. Дослідження в роботі, окрім використання роторних рушіїв у крилах, розглядали їх використання в конструкції фюзеляжу. Також вивчалася можливість використання роторних рушіїв як хвостових балок для вертольотів, що має потенціал покращити їх надійність, безпеку, стабільність та маневреність. Усі ці аспекти були детально проаналізовані та обговорені в роботі з метою визначення переваг і недоліків використання тангенціальних вентиляторів у різних сферах авіації. В результаті дослідження були виявлені потенційні переваги цих рішень, які можуть вплинути на майбутні тенденції в авіаційній індустрії. Оскільки за принципом роботи тангенціальні роторні рушії відрізняються від традиційних перевірених роками гвинтових, імпелерних, та турбінних силових установок, то для їх обрахунків потрібно зібрати та використовувати новий математичний апарат, якого на даний час не існує. Створена нова математична модель для швидкого розрахунку пропульсивних систем за конструктивною схемою “Propulsion-Wing” та “Fan-Wing”, яка була апробована за допомогою натурних експериментів. Також було проведено симуляції поведінки аеродинамічних характеристик моделей на різних режимах польоту для підтвердження результатів обчислень. Даний математичний апарат використовує модифіковані рівняння Бернуллі з урахуванням специфіки обтікання з додатковим прискоренням потоку над крилом. В її створенні було застосовано відомі залежності для розрахунків тангенціальних вентиляторів з поділом ротора вентилятора на три області. Область A є головною для проходу потоку в вентиляторі і відіграє ключову роль у виконанні основної корисної роботи, тому в даній області не має бути елементів, перешкоджаючих потоку. Області B і C перешкоджаючи роботі системи, знижуючи її ефективність. Область B має обмежений вплив на загальну продуктивність системи, за винятком визначення форми перехідного потоку, та корисна робота над газом в цій області не приносить великої кількості енергії, бо за принципом руху є подібною до гребного винта. Область C характеризується наявністю ексцентричного вихору і повністю складається з рециркуляційного потоку. Також були створені нові залежності для профілю крила з вбудованим в нього тангенціальним роторним рушієм, для яких також можна виділити певні регіони, а саме той що знаходиться перед роторним рушієм і взаємодіє з вільним потоком, регіон, який охоплює взаємодію роторного рушія та набігаючого потоку повітря, область за роторним рушієм з повітрям, що має додатковий імпульс, та вільними регіонами, які взаємодіють лише з набігаючим потоком повітря та на які не впливає роторний рушій. Для розрахунку підйомної сили та сили опору потрібно знати розподіл швидкостей та тиску на поверхнях профілю. Створено три нові експериментальні профілі для крил типу “Fan-Wing” з адаптивними органами керування та механізації: СЧК-2 з вбудованою впуклістю, що забезпечує краще приєднання потоку повітря до поверхні крила, СЧК-3 та СЧК-4 з S-подібними контурами, що дає можливість покращити аеродинамічні характеристики профілю з мінімальними модифікаціями, не ускладнюючими конструкцію, підвищивши при цьому міцність і жорсткість та зменшивши масу з суттєвим зменшенням внутрішнього об’єму крила. Створено новий експериментальний профіль для крила типу “PropulsiveWing” з адаптивним дефлектором, що знаходиться в задній частині крила та може керувати потоком на виході з тангенціального роторного рушія. Це дозволяє використовувати векторизацію тяги та даний новий елемент як орган керування та одночасно з тим бути органом механізації, що є корисним при створенні літаків короткого взльоту та посадки. Запропоновано новий тип роторного рушія без перегородок між секціями, та без валу в середині, що перешкоджає потоку, дані модифікації зменшують опір повітрю, сприяють вільній циркуляції повітря, що проходить крізь нього. Досліджено вплив форми лопаток та кута їх встановлення для найбільш оптимального захвату та викидання повітря з пропульсивної системи. Натурно перевірено ротори на міцність та посилено конструкцію елементами з’єднання лопаток для запобігання руйнівного ефекту центробіжної сили на великих швидкостях обертання, які майже не перешкоджають проходженню повітря та дозволяють зменшити масу конструкції за рахунок лопаток великого видовження. Спроектовано літак традиційної аеродинамічної схеми з Т-подібним оперенням та фюзеляжем типу човен, на якому випробувались різні типи крила: звичайне з профілем NACA 4412, крило типу “Fan-Wing” з адаптивною механізацією, що створено на базі профілю Clark Y, а також пропульсивне крило з модифікованим профілем Gottingen 570 та адаптивним дефлектором. Далі виготовлено фізичну модель фюзеляжу, яка була створена для зльоту з водяної поверхні та посадки на неї для запобігання аварійних випадків з участю злітнопосадкової смуги та забезпечення кращої надійності завдяки відсутності шасі для моделей та прототипів. Експерименти проводилися для підтвердження запропонованих математичних моделей з вимірюванням динамічних параметрів літака в умовах стоячої води з урахуванням швидкості вітру, проти якого злітав літак, щоб отримати достовірні експериментальні дані та в результаті обрахунків знайти аеродинамічні характеристики для якісного аналізу та порівняння. Розглянуто нові та перспективні компонувальні схеми літальних апаратів з використанням пропульсивних систем в їх конструкції та їх раціональність. З усього різноманіття конструкцій було виділено аеродинімічну схему “качка” з пропульсивним крилом та дефлектором для активного керування потоком, що в комбінації з пасивними методами дозволяє суттєво покращити аеродинамічні характеристики, та поєднання яких здатне позбавити недоліків дану аеродинамічну схему. А також двохбалкового фюзеляжу з можливістю вертикального зльоту та посадки та горизонтального польоту при використанні роторних рушіїв з векторизацією тяги, що закладені в конструкції його фюзеляжу. Для протидії явищу, що має назву “клювок”, притаманному літальним апаратам схеми “качка”, використано новий орган керування для даного типу літаків, що базується на впровадженні аеродинамічного дефлектора як активної робочої поверхні за роторним рушієм, підтримуючи стабільність по висоті на малих швидкостях. Також з’являється можливість злітати на коротких дистанціях та безпечно приземлятись за малих швидкостей, що непритаманно для літальних апаратів схеми “качка”, додається можливість керувати потоком повітря, що виходить з пропульсивної установки для керування по крену за умови використання диференційованого керування дефлектором та зміни напрямку польоту літака. Представлена компоновка є простою в реалізації, компактною та підіймає продуктивність літального апарату.
  • ДокументВідкритий доступ
    Модуль ЦОС для вивчення сейсмічно-магнітосферної кореляції
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Єзерський, Нікіта Валерійович; Мовчанюк, Андрій Валерійович
    Єзерський Н.В. Модуль ЦОС для вивчення сейсмічно-магнітосферної кореляції. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктор філософії з галузі знань 17 Електроніка та телекомунікаціїза спеціальністю 172 Телекомунікації та радіотехніка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Землетруси завдають великої шкоди як у матеріальному вимірі, так і забирають багато людських життів. Було запропоновано багато різноманітних методів їх прогнозування, але достовірність таких методів є вкрай низькою. В ході вивчення напрямку досліджень для було обрано шлях дослідження потоків плазми у радіаційних поясах Землі. Вперше збурення радіаційних поясів Землі було зафіксовано ще у 1964 році, також було запущено декілька супутникових місій з метою дослідження потоків плазми на низькій навколоземній орбіті, але вивчивши матеріали науковців про висновки, щодо фіксації передвісника землетрусу не можна створити достовірну модель його прогнозування. Для аналізу змін концентрації потоків плазми в поясах Ван-Аллена було прийнято рішення обрати метод ідентифікації типу та сорту заряджених частинок високих енергій питомих втрат енергії та повної енергії з розділів ядерної фізики запуском малогабаритного реєстратора-аналізатора потоків плазми на навколоземну орбіту у форматі наносупутника. На жаль, через сучасні проблеми економічного, соціального характеру та реалізації різних стадій проекту групами інженерів, що ніяк не взаємодіють між собою накладаються додаткові проблеми з фінансуванням та, відповідно, серіями випробувань на шляху до реалізації проекту, тож постає необхідність у заміні серії випробувань іншими операціями для налагодження роботи усіх складових наносупутника разом. Метою даної роботи є розроблення науково-методичних підходів у методиках сортування заряджених частинок за їхніми типами та сортами, зареєстровані системою сцинтиляційних детекторів для накопичення статистики та фіксації передвісника землетрусу. У дисертаційній роботі вирішено такі науково-технічні завдання: - Виявити найдоцільніші в застосуванні методи прогнозу сейсмічної активності. - Встановити критерії достовірності відпрацювання алгоритмів сортування заряджених частинок за їхніми типами та сортами. - Описати єдиною математичною моделлю джерела шуму для їхньої оптимізації - Удосконалити методики покращення співвідношення сигнал/шум. - З’ясувати такі параметри супутникового каналу зв’язку, що зведуть до мінімуму кількість прийнятих помилок. - Адаптувати характеристики спектрометричних каналів для оптимізації процедури калібрування модулю ЦОС. - Розробити модуль ЦОС фіксації передвісників землетрусу реалізуючи алгоритми сортування заряджених частинок - Розробити модуль імітатора сигналів з сцинтиляційного детектора для оптимізації процедури калібрування модулю ЦОС. Основний зміст дисертаційної дослідницької роботи наведено в п’яти розділах, де представлено та обґрунтовано основний результат. У вступній частині підтверджена актуальність роботи, сформульована мета, завдання та методи дослідження, надана інформація про наукову новизну, а також практичне значення отриманих результатів. В першому розділі було проведено огляд методів прогнозування землетрусів, процес виникнення сейсмічної активності, опис феномену радіаційних поясів Землі, методу ідентифікації типу та сорту заряджених частинок високих енергій питомих втрат енергії та повної енергії та досвіду попередніх наукових місій. Наприкінці розділу було сформульовано мету дослідження та висунуто вимоги до модулю ЦОС. В другому розділі описується розробка алгоритму з ідентифікації сортів та енергій заряджених частинок для вивчення явища сейсмічно-магнітосферної кореляції. Початковою точкою було обрано результати розрахунку розподілу енергій електронів і протонів, продетектованих системою з сцинтиляційних детекторів методом Монте-Карло з використанням ПЗ CERN GEANT-4. В підсумку було розроблено програму, за допомогою якої можна здійснити перевірку достовірності розподілу кількості частинок по діапазонах енергій при різних співвідношеннях С/Ш, що є перевіркою вірності функціонування алгоритму. В третьому розділі було розроблено модуль ЦОС, реалізуючи алгоритм з ідентифікації сортів та енергій заряджених частинок. Показано взаємозв’язок між алгоритмом ідентифікації та програмно-апаратною частиною модулю ЦОС. При побудові класифікатору заряджених частинок за сортами та енергіями було запропоновано перехід від енергій, з якими заряджені частинки було поглинуто детекторною системою до напруги, яка дискретизується АЦП та фіксацією кодів АЦП з якими збільшується лічильник відповідних діапазонів енергій на борту модулю ЦОС. В четвертому розділі запропоновано механізм випробування модулю ЦОС без залучення інших складових корисного навантаження наносупутника та іонізаційної камери. Також показано програмно-апаратну реалізацію модулю імітатора сигналів зі сцинтиляційних детекторів. В п’ятому розділі йдеться про методику прогнозування та зменшення рівня шумів, що будуть накладатися на результати через нюанси проектування підсилювачів слабких сигналів модулю АОС та встановлення критерію достатності придушення шумів. Наукова новизна отриманих результатів полягає в: 1) Дістала подальшого розвитку модель для ідентифікації сортів та енергій заряджених частинок для вивчення явища сейсмічно-магнітосферної кореляції. 2) Вперше було запропоновано метод заміщення корисного навантаження та іонізаційної камери імітатором сигналів зі сцинтиляційних детекторів з довільним співвідношенням С/Ш для налаштування модулю ЦОС. 3) Вперше запропоновано методику оптимізації аналогового спектрометричного каналу для зменшення впливу рівня шумів на достовірність реєстрації сортів та енергій частинок у потоках плазми. Практичне значення отриманих результатів полягає в: 1) Прикладному застосуванні моделі для ідентифікації сортів та енергій заряджених частинок, створенням модулю ЦОС для вивчення явища сейсмічномагнітосферної кореляції. 2) Сформульовано метод спрощення процедури калібрування модуля ЦОС, шляхом заміщення високовартісних процедур налаштування корисного навантаження одним дешевим модулем імітатора сигналів зі сцинтиляційних детекторів. 3) Створені рекомендації, щодо подальшої модернізації реєстраторааналізатора заряджених частинок. Результати цього дослідження можуть бути використані при розробці аналізаторів потоків плазми заряджених частинок, проектуванні підсилювачів слабких сигналів, та покращення шумових характеристик метрологічного обладнання в цілому. Основні результати використовуються в лабораторних та практичних занять з навчальної дисципліни [RE-248] «Дизайн цифрових та аналогових схем. Частина 1» для студентів за спеціальністю 172 — «Телекомунікації та радіотехніка».
  • ДокументВідкритий доступ
    Високочастотна діагностика ізоляції обмоток низьковольтних асинхронних двигунів
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Стулішенко, Андрій Сергійович; Чумак, Вадим Володимирович
    Стулішенко А.С. Високочастотна діагностика ізоляції обмоток низьковольтних асинхронних двигунів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливої проблеми діагностики міжвиткових замикань і пробоїв ізоляції на корпус в багатовиткових всипних обмотках низьковольтних асинхронних двигунів. Робота зосереджена на розробці та використанні прогресивних методик, що дозволяють ефективно виявляти та оцінювати дефекти ізоляції в таких обмотках. У вступі даної дисертації детально обгрунтовано актуальність розробки високочастотних методів для діагностики ізоляції обмоток електромеханічних пристроїв та виявлення виткових замикань. Загальна характеристика роботи включає в себе детальний огляд досліджуваних питань і пропонованих методик. Подано загальну характеристику роботи, сформульована її мета, основні задачі, об’єкт та предмет досліджень, наведена наукова новизна та практична цінність отриманих результатів. У першому розділі охоплюється важливий аспект дослідження - вивчення і аналіз проблем, що виникають через відмову ізоляції електричних машин. Зокрема, звертається увага на обговорення різних методів діагностики та контролю, які використовуються у сучасному виробничому середовищі. У цілому, цей розділ вирішує важливе завдання - початковий аналіз ситуації, що допомагає встановити основу для детального і ретельного дослідження проблеми, надає перспективи для вибору оптимальних методів контролю та діагностики ізоляції. Другий розділ зосереджений на визначенні та обґрунтуванні найбільш ефективних методів діагностичного випробування для визначення відмов ізоляції електромеханічних пристроїв. Формуються критерії для вибору діагностичних параметрів, засновуючись на дослідницькій роботі, виконаній у першому розділі. Виконаний перехід до аналізу машин зі всипними обмотками, які були експлуатовані протягом значного періоду часу, і вивчений вплив тривалого використання на їхню надійність та продуктивність. Третій розділ присвячено створенню детальних моделей для аналізу та виявлення відмов ізоляції в електромеханічних пристроях. Розділ розпочинається з аналізу зовнішніх перенапруг та комутаційних перенапруг, які виникають в обмотці при включенні. Наступний етап - розгляд перехідних процесів при комутації та комутаційних процесів при розриві струму. Ці розділи дають чітке уявлення про процеси, які відбуваються в обмотках при роботі електромеханічного пристрою. Далі здійснено дослідне визначення процесів відключення, порівняння дослідних і розрахункових даних. По результатам цих аналізів розроблена математична модель обмотки на основі якої, ми аналізуємо втрати в ізоляції та електромагнітному полі. Четвертий розділ присвячено визначенню ключових параметрів, які впливають на частотні характеристики електричних машин. Початковий фокус в цьому розділі - це детальний аналіз параметрів машини та їх впливу на частотні характеристики. Цей аналіз розширюється, досліджуючи залежності параметрів обмоток від частоти. Далі проводиться експериментальне визначення параметрів, що дозволяє отримати реальні значення та порівняти їх із теоретичними моделями. Важливим аспектом розділу є аналіз частотних залежностей вхідних опорів. Це дозволяє глибше зрозуміти поведінку системи та визначити критичні частотні точки для діагностичних цілей. П'ятий розділ розкриває процес експериментального дослідження дефектів та аномалій в ізоляції електричних машин. Зосередженість на експериментальному моделюванні дефектів в корпусній і міжвитковій ізоляції допомагає інтенсифікувати дослідження і перетворити теоретичні знання на практичні. Аналіз включає розрахунок додаткової ємності, що утворюється в результаті старіння та зволоження ізоляції, що має важливе значення для оцінки стану обмотки. На наступному етапі моделюється міжвитковий дефект в міжвитковій ізоляції при різних станах ізоляції, що надає цінні висновки про вплив стану ізоляції на якість обмотки. Шостий розділ є підсумковим візуальним представленням процесу діагностики дефектів в ізоляції. В цьому розділі використовується MatLab Simulink для створення багатоланкової схеми, яка моделює дефекти ізоляції електричних машин, що дозволяє візуалізувати та аналізувати динаміку цих дефектів. Ключові аспекти моделювання включають міжвитковий дефект в міжвитковій ізоляції, пробій ізоляції всипної обмотки на корпус, та вплив старіння та зволоження на параметри дефектної ізоляційної системи. Аналіз результатів моделювання та їх порівняння з експериментальними даними забезпечує цінні висновки щодо адекватності моделі і можливості її використання для прогнозування відмов ізоляції. На закінчення розроблено рекомендації щодо використання результатів моделювання для діагностики та прогнозування відмов, які покращують процедуру діагностики ізоляції в електричних машинах. Розроблені методики та процедури для всебічного аналізу ізоляційних систем у звичайних електричних машинах із всипними обмотками. Ці методики відрізняються від традиційних підходів, оскільки вони дозволяють чітко розрізняти між тими дефектами ізоляції, які можна виправити під час стандартного технічного обслуговування, та тими, які є критичними і можуть призвести до повної відмови машини. Метод спрямований на підвищення чутливості виявлення дефектів ізоляції обмоток базується на детальному аналізі вхідного опору під час резонансу струмів і напруг у конкретних тестових умовах. Цей метод використовує спеціально створений резонанс на штучних частотах з допомогою додаткових елементів, знижуючи втрати у складному коливальному контурі. Створені унікальні математичні моделі для аналізу високочастотних процесів в ізоляційних системах. Ці моделі використовують складні багатоланкові схеми заміщення для вкраплених обмоток і дозволяють моделювати різноманітні дефекти ізоляції, як локальні, так і загальні. У рамках дисертаційного дослідження реалізована серія експериментів, метою яких було встановлення характеристик обмоток. В ході цих досліджень застосовані інноваційні методи вимірювання та інструменти, що сприяли аналізу розмірів та динаміки зміни параметрів обмоток електродвигунів. Розроблена нова методика, заснована на використанні декремента згасання коливань як показника стану ізоляції. Такий підхід допоміг виявити рівень деградації ізоляції та оцінити ризики потенційних несправностей. Дослідження декремента згасання виявило його значну інформативність для цілей діагностики ізоляції. Проведено аналіз частотних залежностей та коливальних характеристик, що підтвердило їх схожість у висновках. Це вказує на високу ефективність обох методів для діагностування ізоляції та їх придатність для інтегрованого використання у прогнозуванні несправностей. Результати експериментів підтвердили теоретичні гіпотези, наголошуючи на значущості досліджень для покращення методів діагностики та прогнозування відмов ізоляції в універсальних електродвигунах змінного струму з всипними обмотками. Результати роботи впроваджено: в КП «Міськводоканал» СМР м. Суми.
  • ДокументВідкритий доступ
    Комплексний метод планування радіомережі стільникового зв'язку
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Прокопець, Володимир Андрійович; Глоба, Л. С.
    Прокопець В.А. Комплексний метод планування радіомережі стільникового зв'язку. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 – Телекомунікації та радіотехніка. – Національний технічний університет України «Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. У дисертаційній роботі розв’язано актуальну науково-практичну задачу удосконалення процесу планування та оптимізації радіомережі стільникового зв’язку за рахунок застосування технології цифрового двійника. Аналіз специфікацій та рекомендацій Міжнародної спілки електрозв’язку та консорціуму 3GPP (англ. 3rd Generation Partnership Project) щодо особливостей побудови та функціонування стільникових мереж зв’язку показав, що дані особливості мереж стандарту 3GPP суттєво відрізняються, що вимагає різних підходів до процесу планування та оптимізації цих мереж. Аналіз трендів використання даних мереж виявив, що планування та оптимізація мереж другого та третього поколінь є неактуальною задачею, оскільки тренди показують стабільне зменшення частки цих мереж в загальному переданому трафіку. Натомість, доля мереж четвертого та п’ятого поколінь стабільно збільшується, окрім того, прогнози, що надаються провідними телекомунікаційними компаніями показують, що тенденція збільшення частки даних мереж зберігатиметься щонайменше до 2027 року. Таким чином, актуальною є задача планування та оптимізації мереж 4G та 5G. В ході аналізу існуючих підходів щодо планування та оптимізації радіомережі стільникового зв’язку виявлено певні їх недоліки, а саме: фокус виключно на технічному аспекті планування, що робить їх малопридатними для використання в реальній мережі, відсутність автоматичного обміну інформацією з мережею, відсутність інтеграції GIS (англ. Geographical Information System) та фокус на одному з двох шляхів проведення оптимізації (конфігураційний або апаратний), без урахування іншого. В літературі задача планування та оптимізації мережі не розглядалася комплексно, в контексті урахування як технічних, так і економічних, маркетингових та юридичних аспектів. Таким чином, актуальною є задача створення удосконаленого методу планування радіомережі системи стільникового зв’язку, який вирішуватиме основну задачу планування з урахуванням технічного, економічного, маркетингового та юридичного аспектів, можливістю комплексної оцінки рішень щодо оптимізації радіомережі, інтеграцією GIS та автоматизацією обміну даними з мережею щодо її стану. Для вирішення цієї задачі було: 1. Проведено опис основних статистичних показників функціонування радіомережі стільникового зв’язку. Проведений аналіз показників визначив ті, що є суттєвими для процесу планування та оптимізації радіомережі, а саме Об’єм переданих даних, Кількість користувачів, Утилізація канального ресурсу, Відстань від базової станції до користувача, Індикатор якості каналу та Швидкість передачі даних. 2. Серед наведених вище показників було визначено такий, що найбільше підходить для визначення стану ємності мережі – Кількість користувачів. На відміну від показників Утилізації канального ресурсу та Об’єму переданих даних, визначений показник не має суттєвого недоліку – чутливістю до аномальних даних, коли один або декілька користувачів використовують значну частину канального ресурсу для передачі великого об’єму даних. 3. Обрано дванадцять моделей лінійної регресії для експерименту з визначення найкращої моделі для набору даних Кількість користувачів – Швидкість передачі даних. Для визначення залежностей між випадковими величинами широко використовуються регресійні моделі, оскільки статистичні дані можна розглядати як набори випадкових величин, які відповідають певним показникам. 4. Розглянуто модель бюджету каналу зв’язку, яка широко використовується для визначення потужності прийомного сигналу. Головним компонентом даної моделі є втрати на трасі, визначення чого є однією з основних проблем бездротових комунікацій. Було проведено аналіз основних моделей втрат на трасі, таких як Okumura-Hata, Cost 231 та інших. Серед розглянутих моделей найбільш релевантною є модель, запропонована в релізі 3GPP TR 38.901 version 16.1.0 Release 16, оскільки вона була спеціально розроблена для сценарію використання у стільникових мережах 5G, з урахуванням особливостей розповсюдження радіохвиль в широкому діапазоні спектру (500 МГц – 100 ГГц). 5. Запропоновано комплексний метод планування радіомережі стільникового зв’язку, який базується на технології цифрового двійника, враховує стан існуючої мережі, маркетингові прогнози трафіку, та характеризується автоматизованістю, та гнучкістю. Метод може бути використаний на етапах стратегічного, оперативного, тактичного планування радіомережі та виконувати планування в режимі реального часу, що зменшує часові та трудові витрати. Даний метод враховує маркетингові показники (прогнози зміни об’єму трафіку/кількості користувачів), що доцільно для високорівневого попереднього планування, оскільки допомагає визначити потенційні проблемні ділянки мережі, та, відповідно, превентивно виконати розширення ємності цієї ділянки. Метод враховує також економічні параметри (вартість рішень) з метою зменшення обсягу витрачених фінансових ресурсів, що дозволить виконати більшу кількість змін на мережі без збільшення витрат. 6. Запропоновано метод рівномірного розподілу користувачів між сусідніми секторами, який відрізняється від відомих застосуванням технології цифрового двійника для перевірки коректності розподілу методом перебору таких значень кутів нахилу антен та потужностей випромінювання, що забезпечать рівномірний розподіл користувачів між сусідніми секторами. Метод виконує прогнозування зон обслуговування базових станцій із використанням моделі втрат на лінії 3GPP, яка відрізняється гнучкістю та адаптивністю використання в різних сценаріях. 7. Запропоновано метод комплексної оцінки рішень, який враховує технічні, економічні та маркетингові показники функціонування стільникової мережі зв’язку та дозволяє визначити найкраще конфігураційне або апаратне рішення для збільшення ємності ділянки мережі з мінімальними економічними витратами. 8. Запропоновано онтологічну модель цифрового двійника процесу планування радіомережі стільникового зв’язку, яка дозволила описати як статичний так і динамічний аспекти процесу її планування, врахувати мультидисциплінарність цього процесу, а також визначити змістовні логічні зв’язки між компонентами даного процесу. 9. На основі запропонованого комплексного методу планування та оптимізації радіомережі створено програмне забезпечення (ПЗ), яке дозволяє підвищити автоматизованість та гнучкість процесу планування та оптимізації мережі. Запропонована програмна реалізація цифрового двійника побудована на архітектурі SPL (англ. Software Product Line) та містить реалізації запропонованих методів комплексної оцінки рішень та міжсекторального розподілу користувачів, може бути ефективно використана для вирішення задач планування та оптимізації радіомережі стільникового зв’язку, оскільки відповідає вимогам до гнучкості, автоматизованості, часової ефективності, врахуванні маркетингової та економічної компонент. 10. Проведено імітаційне моделювання, результати якого показують, що за наявності точного розподілу користувачів на місцевості та алгоритму розрахунку втрат на трасі, досить простою є задача рівномірного перерозподілу користувачів між сусідніми секторами, а часові витрати на розрахунок повного покриття гіпотетичної гетерогенної мережі (40000 секторів) складають 33 хвилини 36 секунд, що є гарним показником, проте недостатнім для забезпечення функціонування цифрового двійника в режимі реального часу. Використання високопродуктивного процесора та технологій паралельного програмування дасть можливість зменшити часові витрати у 15-20 разів. Використання технології розподіленого обчислення зводить задачу масштабування обчислювальної потужності до суто технічної, що дозволить забезпечити вимоги щодо часових витрат для забезпечення роботи цифрового двійника радіомережі в режимі реального часу.
  • ДокументВідкритий доступ
    Методи та програмні засоби багатовимірної поліноміальної регресії за надлишковим описом на основі побудови одновимірної регресії з використанням ортогональних поліномів Форсайта
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Головченко, Максим Миколайович; Павлов, Олександр Анатолійович
    Головченко М.М. Методи та програмні засоби багатовимірної поліноміальної регресії за надлишковим описом на основі побудови одновимірної регресії з використанням ортогональних поліномів Форсайта. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 121 – Інженерія програмного забезпечення з галузі знань 12 – Інформаційні технології. – Національний Технічний Університет України «Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена розробці універсального синтетичного методу оцінок коефіцієнтів багатовимірної поліноміальної регресії, заданої надлишковим описом та створенням оригінальних програмних засобів, що ефективно реалізують цей метод. У процесі розробки та дослідження ефективності синтетичного методу були отримані такі результати. Вперше розроблено синтетичний метод побудови багатовимірної поліноміальної регресії, заданої надлишковим описом, що відрізняється від існуючих тим, що органічно поєднує риси класичного методу (теоретично обґрунтовані випадки, в яких оцінка коефіцієнтів при нелінійних членах знаходиться з заданою точністю) з ефективністю евристичних методів (знаходження структури регресії з використанням перевірочної послідовності в модифікованому методі групового урахування аргументів, що входить в склад синтетичного методу), а також включає в себе метод побудови одновимірної поліноміальної регресії на основі довільного повторного активного експерименту з використанням лише одного набору нормованих ортогональних поліномів Форсайта, декомпозиційний метод оцінки коефіцієнтів при нелінійних членах багатовимірної поліноміальної регресії з наперед заданою точністю, що багатовимірну задачу зводить до послідовної побудови відповідних одновимірних поліноміальних регресій. Вперше обґрунтовано можливість знаходження нормованих ортогональних поліномів Форсайта з наперед заданою точністю, яка досягається за рахунок представлення даних у вигляді раціональних дробів та застосування до них символьних обчислень, що дозволяє отримати оцінки коефіцієнтів при нелінійних членах багатовимірної поліноміальної регресії, значення яких відповідають теоретично виведеним умовам. Вперше приведено теоретичне обґрунтування зменшення обчислювальної складності програмного забезпечення реалізації методу найменших квадратів на основі повторних експериментів, що полягає в заміні операцій з матрицями повного активного експерименту операціями з матрицями основного експерименту суттєво меншої розмірності. Вперше запропоновано архітектуру кросплатформної бібліотеки для реалізації синтетичного методу та його складових, яка дозволяє використовувати її компоненти, як окремо, так і в цілому для розв'язання прикладних задач побудови регресійних моделей. Проведено дослідження ефективності алгоритмів, що реалізують операції з матрицями в методі найменших квадратів, зокрема обґрунтовано можливість використання паралельних обчислень. Розглядаються матричні операції, які входять у формулу для знаходження оцінок коефіцієнтів багатовимірної поліноміальної регресії методом найменших квадратів як складової модифікованого методу групового урахування аргументів та можуть виконуватись ефективніше при застосуванні паралельних обчислень. Було виконано дослідження ефективності алгоритмів множення матриць та обернення матриць, як складових задачі знаходження оцінок коефіцієнтів багатовимірної поліноміальної регресії модифікованим методом групового урахування аргументів. Це дослідження ефективності алгоритмів виконувалось шляхом реалізації алгоритмів на базі 8-ми ядерного мікропроцесора Apple M1 та фіксації часу роботи різних алгоритмів для фіксованої кількості потоків та квадратних матриць заданої розмірності. Приведено обґрунтування можливості розпаралелювання обчислень в модифікованому методі групового урахування аргументів для знаходження оцінок коефіцієнтів часткових описів та залишкових сум квадратів. Реалізовано кросплатформну бібліотеку та її програмний інтерфейс для побудови регресійних моделей. Так, для користувачів, які володіють базовими навичками у області програмування і статистичного аналізу та бажають отримати розв’язок задачі побудови багатовимірної поліноміальної регресії достатньо у автоматизованому режимі підключити кросплатформну бібліотеку у власний застосунок та передати у її функції бібліотеки вхідні дані. В цьому випадку функції кросплатформної бібліотеки аналізують надлишковий опис і визначають, що він відноситься до класу, у якому всі лінійні системи мають лише одну змінну, якщо це не так, то задача розв’язується повністю модифікованим методом групового урахування аргументів. У протилежному випадку, програма аналізує можливості декомпозиційного методу та видає вимоги для проведення відповідної кількості повторних активних експериментів для побудови одновимірних поліноміальних регресій та множину коефіцієнтів, які будуть оцінені. Далі формується багатовимірна поліноміальна регресія задана надлишковим описом, яка буде розв’язана модифікованим методом групового урахування аргументів. Для користувачів, які володіють розширеними навичками у області програмування і статистичного аналізу та бажають отримати розв’язок задачі побудови багатовимірної поліноміальної регресії, повинні ознайомитись з детальною інструкцією по роботі з кросплатформною бібліотекою, у якій описані теоретичні положення та практичні рекомендації з використання синтетичного методу. Далі користувачі за допомогою функцій кросплатформної бібліотеки у частині декомпозиційного методу можуть запрограмувати індивідуальний алгоритм розв’язку задачі на основі теоретичних положень синтетичного методу. У частині модифікованого методу групового урахування аргументів все залишається без змін. За результатами виконання синтетичного методу користувачу буде виданий кінцевий результат, який містить структуру багатовимірної поліноміальної регресії, знайдені декомпозиційним методом оцінки коефіцієнтів багатовимірної поліноміальної регресії та їх дисперсії та оцінки коефіцієнтів багатовимірної поліноміальної регресії з оцінками їх дисперсій, знайдені за допомогою модифікованого методу групового урахування аргументів, з оцінкою результатів – має високу ступінь достовірності; задовільну ступінь достовірності; результат недостовірний. При розробці кросплатформної бібліотеки, що реалізує синтетичний метод, використовувались такі допоміжні засоби. В якості мови реалізації кросплатформної бібліотеки була обрана Python, оскільки дана мова програмування краще за інші підходить для реалізації data science та статистичних методів обробки даних. Крім того для мови Python існує великий набір високорівневих фреймворків різного призначення та програмних бібліотек, які можна використовувати у якості допоміжних засобів при розробці. Середовищем розробки кросплатформної бібліотеки було обрано IntelliJ IDEA через наявність безкоштовної експрес-версії та зручність встановлення допоміжних програмних пакетів та бібліотек. У якості архітектури кросплатформної бібліотеки було використано монолітну архітектуру, оскільки решта архітектур програмного забезпечення – багаторівнева, клієнт-серверна, мікросервісна, сервісно-орієнтована – не рекомендується для використання при розробці такого роду програмного забезпечення. Внутрішня логіка бібліотеки побудована з використанням компонентно-орієнтованого підходу, так як даний підхід добре себе зарекомендував при розробці програмного забезпечення цільового призначення, що використовується при розробці цільового прикладного програмного забезпечення. В якості пакету для паралельної реалізації деяких підалгоритмів було використано multiprocessing, а для реалізації символьних обчислень було використано бібліотеку SymPy. Для розгортання кросплатформної бібліотеки було використано систему управління пакетами pip. Це універсальна, зручна і найбільш популярна система управління пакетами, написаними для мови програмування Python. В результаті розгортання користувачі зможуть завантажувати і встановлювати бібліотеку для своїх потреб командою pip install regression_lib_mpr у своєму середовищі розробки. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 84 найменувань на дев’яти сторінках та чотирьох додатків. Загальний обсяг дисертації становить 185 сторінок, з яких 128 сторінок основного тексту, містить 23 рисунки та 24 таблиці.
  • ДокументВідкритий доступ
    Метод та програмні засоби мультимодального аналізу медичних даних на основі глибокого навчання
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Шульга, Максим Володимирович; Гордієнко, Юрій Григорович
    Шульга М.В. Метод та програмні засоби мультимодального аналізу медичних даних на основі глибокого навчання. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 121 – Інженерія програмного забезпечення з галузі знань 12 – Інформаційні технології. – Національний Технічний Університет України «Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена розробці методу та програмних засобів мультимодального аналізу медичних даних на основі глибокого навчання, що дозволяє підвищити точність багатокласової класифікації. Останнім часом сфера медицини активно використовує можливості штучного інтелекту. Зокрема, глибокі нейронні мережі довели свою ефективність і придатність для автоматизованого виявлення та класифікації захворювань. Інтеграція методів штучного інтелекту має потенціал для оптимізації та покращення точності програм скринінгу шляхом автоматизації аналізу медичних даних, усуваючи необхідність безпосередньої участі медичного персоналу на етапі скринінгу. Нагальною проблемою в цьому контексті є діагностика діабетичної ретинопатії, поширеного ускладнення діабету, що призводить до погіршення зору серед дорослого населення світу. Отже, в даний час існує актуальна потреба в застосуванні підходу з використанням комп’ютерного зору та глибоких нейронних мереж для надання передових медичних послуг за допомогою штучного інтелекту, з особливим акцентом на класифікації діабетичної ретинопатії. Тема дисертаційної роботи входить в план наукової роботи затвердженому на кафедрі обчислювальної техніки КПІ ім. Ігоря Сікорського, що враховує розпорядження Кабінету Міністрів України від 2 грудня 2020 р. № 1556-р про схвалення Концепції розвитку штучного інтелекту в Україні. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності багатокласової класифікації захворювань глибокими нейронними мережами, шляхом розробки методу мультимодального аналізу медичних даних. Об’єктом дослідження є процеси аналізу вимог, розробки, впровадження і супроводження програмного забезпечення для мультимодального аналізу медичних даних на основі глибокого навчання, які сприяють підвищенню точності визначення окремих класів для завдання багатокласової класифікації медичних даних; а предметом дослідження – методи і моделі розробки і супроводу програмного забезпечення для мультимодального аналізу медичних даних на основі глибоких нейронних мереж різної архітектури і способів організації додаткових модальностей. Методичною основою дослідження є системне опрацювання та аналіз теоретичного матеріалу, присвяченого підвищенню точності вирішення завдання багатокласової класифікації, шляхом аналізу медичних даних за допомогою моделей глибоких нейронних мереж. Для досягнення поставленої мети були вирішені такі завдання: - було досліджено сучасні методи та системи виявлення та багатокласової класифікації захворювань на прикладі діабетичної ретинопатії; - було виявлено шляхи покращення існуючих методів та систем виявлення та багатокласової класифікації захворювань на прикладі діабетичної ретинопатії; - було розроблено метод мультимодального аналізу медичних даних на основі доповнення метаданих; - було розвинуто спосіб підвищення точності багатокласової класифікації завдяки використанню методу мультимодального аналізу для різних архітектур згорткової компоненти нейронної мережі; - було розроблено метод недетермінованого штучного доповнення метаданих; - було розвинуто спосіб підвищення точності багатокласової класифікації завдяки використанню методу недетермінованого штучного доповнення метаданих для різних стандартних і спеціалізованих медичних наборів даних; - було розроблено математичний опис для оцінки підвищення точності багатокласової класифікації на різних стандартних і спеціалізованих медичних наборах даних. За результатами проведеного дослідження та згідно поставленого завдання було запропоновано комплексний метод мультимодального аналізу медичних даних на основі глибокого навчання, при розробці якого були проведені наступні дослідження: - дослідження доповнення метаданих для вирішення завдання багатокласової класифікації; - дослідження впливу складності мультимодальної моделі на вирішення завдання багатокласової класифікації; - дослідження недетермінованого доповнення метаданих для вирішення завдання багатокласової класифікації; - дослідження впливу мультимодального доповнення метаданих на точність багатокласової класифікації. Розглянуто проблему багатокласової класифікації для одномодальної (з введенням зображення) моделі та мультимодальної (з введенням зображення та тексту) моделі та створено кілька варіантів вхідних значень і відповідних моделей на основі аналізу способів та методів використання глибокого навчання для виявлення захворювань на прикладі діабетичної ретинопатії і аналізу існуючих методологій виявлення захворювань: одномодальна модель (SM) лише з вхідним зображенням і мультимодальні моделі з вхідними зображеннями та текстом, як-от мультимодальна модель із думкою пацієнта (MP), мультимодальна модель із думкою експерта (ME), мультимодальна модель із думкою пацієнта та експерта (MPE) та мультимодальна модель з недетермінованою думкою експерта (MMFE). Вплив додаткових даних, таких як суб'єктивна думка “пацієнта” про свій стан здоров'я та думка “експерта” (що забезпечує “витік даних”), може бути корисним у деяких практичних ситуаціях. Думки пацієнтів та експертів були імітовані додатковими (доповненими) даними, отриманими з змодельованих анкет. Проведено дослідження доповнення метаданих для вирішення завдання багатокласової класифікації, яке показало, що всі створені мультимодальні моделі (MP, ME, MPE) у порівнянні з одномодальною моделлю (SM) дозволили досягти різних статистично значущих покращень точності багатокласової класифікації за значенням площі під кривою похибок (AUC) для всіх класів у діапазоні від 4% до 27%, що виходять за межі стандартного відхилення 2-3% виміряного перехресною перевіркою. Проведено дослідження дослідження впливу складності мультимодальної моделі на вирішення завдання багатокласової класифікації, яке показало, що мультимодальна модель (MP) у порівнянні з одномодальною моделлю (SM) дозволила досягти різних статистично значущих покращень точності багатокласової класифікації за значенням AUC для деяких класів у діапазоні від 15% до 26% (в залежності від складності архітектури згорткової компоненти нейронної мережі), що виходять за межі стандартного відхилення 3-8% виміряного перехресною перевіркою. Проведено дослідження недетермінованого доповнення метаданих для вирішення завдання багатокласової класифікації, яке показало, що мультимодальна модель (MMFE) у порівнянні з одномодальною моделлю (SM) дозволила досягти різних статистично значущих покращень точності багатокласової класифікації за значенням AUC у діапазоні від 12% до 26%. Наведено теоретичні оцінки можливих (найкращих – коли точність за класами підвищується на сумарну похибку точності за окремими класами для одномодальної моделі, де похибку вдається зменшити завдяки застосуванню маркування у додатковій модальності; проміжних – коли точність за класами підвищується на сумарну похибку точності, помножену на функцію розподілу ймовірностей, де продемонстровано можливу залежність покращення від середньої точності для одномодальної моделі; і найгірших – коли точність за класами не підвищується взагалі) рівнів покращення точності багатокласової класифікації за допомогою простого математичного опису з акцентом на деяких практичних випадках. На основі теоретичних оцінок проведено дослідження впливу мультимодального доповнення метаданих на точність багатокласової класифікації з використанням різних стандартних (CIFAR10) і спеціалізованих медичних (PathMNIST, RetinaMNIST) наборів даних, яке показало, що точність мультимодальних моделей значно змінюється залежно від складності набору даних, розміру вибірки та мінливості даних. Запропоновано комплексний метод мультимодального аналізу медичних даних на основі глибокого навчання, який полягає у використанні “витоку даних” на крайніх і подібних класах, що дозволяє підвищити точність визначення окремих класів для вирішення завдань багатокласової класифікації. Проведено аналіз результатів використання запропонованого комплексного методу мультимодального аналізу медичних даних, який показав, що запропонований метод на відміну від існуючих рішень за рахунок використання додаткових модальностей на основі доповнення метаданих дозволив отримати підвищення точності визначення окремих класів для завдань багатокласової класифікації захворювань на 4-27% у порівняння зі стандартним одномодальним підходом для розглянутих ідентичних наборів даних і архітектур нейронних мереж.
  • ДокументВідкритий доступ
    Підвищення продуктивності пластичного формоутворення з латуні вісесиметричних виробів із змінною товщиною стінки великої довжини
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Ярмоленко, Олександр Сергійович; Калюжний, Володимир Леонідович
    Ярмоленко О.С. Підвищення продуктивності пластичного формоутворення з латуні вісесиметричних виробів із змінною товщиною стінки великої довжини. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії галузі знань 13 – механічна інженерія за спеціальністю 131 “Прикладна механіка” - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського” МОН України, Київ, 2023. Дисертація присвячена дослідженню способів підвищення продуктивності процесів пластичного формоутворення з латуні вісесиметричних виробів із змінною товщиною стінки великої довжини, використовуючи інструмент спеціального профілю, для зменшення кількості переходів витягування з потоншенням та обтиску при їх виготовленні. Проведено аналіз літературних джерел по існуючих технологіях пластичного формоутворення виробів зі змінною товщиною стінки. Технології включають в себе операції гарячого осаджування циліндричної заготовки і подальшого зворотного видавлювання порожнистого напівфабрикату, наступних переходів витягування з потоншенням та обтиску. Сформульована мета роботи та завдання на проведення досліджень. Вперше з використанням методу скінченних елементів проведено розрахунковий аналіз переходів гарячого осаджування та подальшого зворотного видавлювання з роздачою вісесиметричного порожнистого напівфабрикату з урахуванням накопичених деформацій після осаджування. Отримано силові режими, розподіли питомих зусиль на інструменті, напружено-деформований стану металу. Встановлено швидкість деформування для витримки режиму гарячої деформації. Отримано кінцеві форма та розміри напівфабрикатів, при цьому у напівфабрикаті після видавлювання передбачено виступ на торці донної частини для подальшого формоутворення фланцю. Адекватність математичних моделей гарячого зворотного видавлювання порожнистих напівфабрикатів перевірена шляхом виконання експериментальних робіт по гарячому пластичному формоутворенню порожнистих виробів із високоміцного алюмінієвого сплаву. В результаті проведених досліджень отримано вироби необхідної форми і заданим пропрацюванням структури металу гарячою пластичною деформацією для отримання заданих механічних властивостей у стінці і донній частині. Вперше з використанням методу скінчених елементів і застосуванням пуансону спеціального профілю було проведено моделювання переходу витягування з потоншенням через дві послідовно розташовані матриці і та переходу витягування через одну матрицю. Отримав подальший розвиток розрахунковий аналіз витягування з потоншенням через одну матрицю традиційним пуансоном із забезпеченням отримання необхідної форми напівфабрикату для подальшого обтиску та заданими механічними властивостями здеформованого металу в стінці. Застосування пуансонів спеціального профілю, у яких бічна поверхня виконана у вигляді послідовно розташованих виступів і впадин, на переходах витягування дозволило створити тягнуче зусилля за стінку напівфабрикатів за рахунок заповнення здеформованим металом впадин на поверхні пуансонів, зменшити величини осьових напружень в місці переходу стінки у донну частину і провести розвантаження її і тим самим збільшити ступінь деформації на переходах витягування та скоротити кількість переходів витягування з потоншенням. При цьому зменшується величина викривлення донної частини при витягуванні. На переходах витягування з потоншенням встановлені граничні ступені деформації, які забезпечили холодне пластичне формоутворення напівфабрикатів без руйнування. Виявлені залежності зусиль витягування від переміщення пуансонів, залежності зусиль знімання напівфабрикатів з пуансонів, напруженодеформований стан металу та форми і розміри отриманих напівфабрикатів. При цьому на останньому переході витягування з потоншенням встановлено розміри стінки по висоті, які забезпечують потрібні розміри виробу після виконання обтиску. Третій перехід витягування здійснювався пуансоном з циліндричною поверхнею щоб звести до мінімуму механічну обробку після кінцевого обтиску. На всіх переходів витягування з потоншенням використовували конічні бандажовані матриці. Після першого переходу витягування з потоншенням через дві послідовно розташовані матриці в зв’язку зі значним викривленням донної частини запропоновано виконання калібрування (вирівнювання) цієї частини напівфабрикату Для цього моделюванням методом скінченних елементів визначено величину потрібного зусилля калібрування і додаткове пропрацювання структури металу холодною пластичною деформацією та виявлені форма і розміри напівфабрикату. Для інженерних розрахунків параметрів витягування з потоншенням пуансоном спеціального профілю з використанням методу балансу потужностей та методу спільного вирішення наближених диференційних рівнянь рівноваги з умовою пластичності вперше проведено теоретичний аналіз такого процесу. З урахуванням дії сил тертя та зміцнення металу при холодному пластичному формоутворенні отримані аналітичні залежності, за допомогою яких можна визначити напруження на контактуючих поверхнях та зусилля деформування. В умовах напівгарячої деформації методом скінчених елементів проведено моделювання процесу осаджування фланцю із виступу на торці донної частини напівфабрикату, який був отриманий на першому переході гарячого осаджування циліндричної заготовки. Визначено напруження і деформації по об’єму фланцю та в області переходу фланцю у донну частину напівфабрикату. Пропрацювання структури металу напівгарячою деформацією оцінено по розподілу інтенсивності деформації. Формоутворення в умовах напівгарячої пластичної деформації дозволяє створити необхідну макроструктуру в здеформованому металі в області переходу фланцю у донну частину і забезпечити необхідні службові властивості виробу при багаторазовому його використанні, а також забезпечує зменшення зусилля. Визначено зусилля осаджування, питомі зусилля на деформуючому інструменті та роботу деформації. Вперше проведено розрахунковий аналіз процесу обтиску з врахуванням накопичених деформацій в здеформованому металі напівфабрикату після третього переходу витягування з потоншенням. Виявлено залежність зусилля обтиску від переміщення інструменту при формоутворенні і величини питомих зусиль на поверхні інструменту. Встановлено кінцевий розподіл напружено-деформованого стану у виробі. Визначення геометричних характеристик виробу було проведено з урахуванням пружної деформації. В результаті обтиску вдалося отримати виріб потрібної форми і розмірів та заданими механічними властивостями в стінці. Таким чином, комп’ютерним моделюванням за допомогою методу скінченних елементів отримано всі необхідні дані для проектування високопродуктивної технології і штампового оснащення для виготовлення з латуні ЛК 75 порожнистих виробів зі змінною товщиною стінки великої довжини: зусилля - для вибору пресового обладнання; питомі зусилля – для проектування штампового оснащення і прогнозування стійкості деформуючого інструменту; форма і розміри та розподіли напружень, деформацій і ступеню використання ресурсу пластичності у здеформованому металі – для оцінки якості напівфабрикатів і виробу, Для розглянутих переходів штампування було розроблено та спроектовано конструкції штампів, які забезпечують отримання напівфабрикатів та виробу необхідної форми і розмірів: штамп для гарячого осаджування циліндричної заготовки; штамп для гарячого зворотного видавлювання з охолодженням деформуючого інструменту; штамп для першого витягування з потоншенням через дві послідовно розташовані матриці та використанням пуансону з поверхнею спеціального профілю; штамп для вирівнювання донної частини напівфабрикату після першого переходу витягування з потоншенням; штампи для другого витягування з потоншенням з пуансоном з поверхнею спеціального профілю тільки на його конічній частині та третього переходу витягування з потоншенням через одну матрицю та пуансоном з циліндричною поверхнею; штамп для осадження фланця; штамп для обтиску стінки напівфабрикату. Результати досліджень використані у виробничих умовах в корпорації «Таско» м. Київ (акт про використання від 14.04.2023 №170). Запропонована технологія в порівнянні з існуючими забезпечує, більш високу продуктивність виготовлення гільзи, економію металу та може використана на виробництві. А також застосовуються у навчальному процесі в КПІ ім. Ігоря Сікорського при підготовці бакалаврів і магістрів по спеціальності 131 – прикладна механіка (акт про використання від 05.05.2023).